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化合物半导体代工风云再起

发布时间:2019-10-02 20:22 浏览次数:

随着各种高频和高功率应用需求的提升,化合物半导体的市场规模不断扩大,相应芯片的设计和制造业务受到越来越多从业者和资本的关注,发展前景一片大好。


化合物半导体主要是指第二代和第三代半导体材料及工艺,其中,第二代以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表,它们相对于第一代半导体材料(以硅为主),具有电子迁移率高,光电转换效率高的优点,非常适合用于制造光电和射频器件。手机的普及带动了GaAs功率放大器(PA)的稳定增长,迎来了第二代半导体材料的成熟期,无论是当下,还是未来,GaAs都是射频器件,特别是手机等移动设备用PA的主要半导体材料。


第三代化合物半导体则是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体,具有可见光波段的发光特性及高击穿场强、大功率特性、抗高温、抗高辐射的优点,可应用于光电器件、微波通信和大功率器件。


因此,总体来讲,化合物半导体材料主要是指GaAs、SiC 和GaN这三种,其中,GaAs占据着主要市场份额(100亿美元左右);GaN则更适合大功率、高频应用,是处于生长期的技术,目前市场规模相对较小,但很具发展前景;而SiC的高功率特性,使其在汽车及工业电力电子领域具有明显的优势。


GaAs的黄金时代
随着5G建设大规模进行,GaAs器件市场需求愈加旺盛。据Technavio统计,2018年全球GaAs晶圆市场规模达到9.4亿美元,2019年约为10.49亿美元,预计2021年该市场将达到12.69亿美元的规模。


如下图所示,在射频器件领域,目前 LDMOS、GaAs、GaN三者占比相差不大,但据Yole development预测,到2025年,GaAs市场份额基本维持不变,GaN有望替代大部分LDMOS份额,占据射频器件市场50%左右的份额。


可见,无论是现在还是将来,GaAs都是市场的主力,处于黄金时代。


代工业务比重稳步提升


在制造和代工层面,目前,以当下主流的GaAs为例,龙头企业仍以IDM模式为主,厂商包括美国的Skyworks、Qorvo、Broadcom/Avago以及Cree,还有德国的Infineon。Avago和Skyworks除芯片设计业务外,也有自己的工厂,当自身产能不足时,会将部分订单交给中国台湾代工厂,Avago的代工厂商是稳懋,Skyworks的代工厂商是宏捷科技,Qorvo的产能充足,主要自产,而且还会向外提供代工服务。


与此同时,化合物半导体产业的代工模式也在不断加强,相对于IDM,代工比例持续提升。去年,Avago将其位于科罗拉多的工厂出售给了GaAs代工龙头企业——中国台湾地区的稳懋(WIN),Avago以1.85亿美元入股稳懋,成为稳懋第三大股东,未来Avago的HBT生产线产品将全部由稳懋代工。目前,稳懋的主要客户为Avago、Murata、Skyworks、紫光展锐和Anadgics等。


代工业务的发展,在很大程度上是因为GaAs技术和市场已经发展到了非常成熟的阶段,特别是其衬底和器件技术不断实现标准化,产品多样化,相应的设计企业增加,使得代工的业务需求不断增加。这与逻辑器件代工业的发展轨迹类似。


目前,全球GaAs晶圆代工主要聚集在中国台湾地区和美国,稳懋、GCS(环宇)和宏捷科技(AWSC)占据着全球90%的市场份额,它们的主要客户是Avago、Skyworks等IDM大厂,这也从一个侧面说明了IDM产能外包成为了一种趋势,化合物半导体代工市场正在快速成长。
图:全球GaAs 晶圆代工市场份额(来源:strategy analytics)


由于化合物半导体在结构、成分、缺陷等方面难于硅晶圆制造,目前,全球能提供高水平代工的企业并不多,仅稳懋、宏捷科技,以及GCS,Qorvo等少数企业能提供较大规模的代工服务。


今年,5G开始进入量产阶段,相应的高性能射频和功率器件订单明显增加,订单的超预期使得行业龙头稳懋产能吃紧。据Strategy Analytics统计,在全球GaAs晶圆代工领域,稳懋 以71%的市占率独占鳌头。而随着2020年5G的大规模应用,该市场的需求量还将进一步提升,而龙头厂商产能进入满载周期,给我国大陆化合物半导体生产厂商带来了商机,在国内的GaAs代工领域,玩家总体数量不多,能提供高水平代工业务的更是凤毛麟角,主要有三安光电、海特高新等少数企业,其中,三安光电作为国产化合物半导体领域的龙头企业,已经建成国内首条6英寸GaAs、GaN外延芯片产线并投入量产。


而在制程工艺方面,化合物半导体与存储器和逻辑器件有很大区别,并不追求很先进的工艺节点,基本不需要60nm以下的制程工艺。这主要是因为化合物半导体面向射频、高电压、大功率、光电子等应用领域,无需先进制程。


目前,GaAs和GaN器件以0.13μm、0.18μm以上制程工艺为主,Qorvo正在进行90nm工艺研发。此外,由于受GaAs和SiC衬底尺寸限制,目前的生产线以4英寸和6英寸晶圆为主。


台湾双雄


前文提到,全球化合物半导体代工业务主要被中国台湾地区的稳懋、宏捷科技,以及美国GCS这三家代工厂把持着。特别是稳懋,在当下这个射频和功率半导体百花齐放的时期,该公司的业务受到了越来越多的关注。

图:稳懋2019年近几个月的营收情况(以新台币结算)


9月16日,稳懋总经理陈国桦表示,该公司目前产能已满载,预计第4季度将会增加机台用以扩产,明年将新增5000片产能,总产能将自3.6万片扩增至4.1万片,扩产幅度达到14%。


稳懋在化合物半导体业的地位有点儿像台积电在逻辑芯片代工业的地位,技术先进且不差钱。该公司老板陈进财曾经表示,他是在用十年磨一剑的心思经营稳懋,以后将继续加大研发投入,扩大在化合物半导体业的领导地位。


技术层面,稳懋技术属于自有,自主性强,除了与Avago拥有稳定的合作关系外,客户分布状况比较平均,抽单风险较为分散。


宏捷科技(AWSC)是稳懋的主要竞争对手。过去,其营收主要来自为IDM厂(如Skyworks)做射频元件代工,但随着时间演进,IDM厂已逐渐扩充其产能,因此,本来外包给宏捷科技代工的产能已逐渐收回并自行生产,导致宏捷科技在2016~2017年营收出现明显下滑。另外,宏捷科技的技术主要来自于Skyworks的授权,这使得宏捷科技的营收在2014~2015年因为苹果iPhone手机热卖而大幅增长,而之后增长率又迅速回落。


为了解决以上问题,近两年,该公司将营收重心转向了智能手机的VCSEL及PA等代工订单,成功带动了营收增长,2018年,其营收年增10.6%。


此外,随着中国半导体国产化步伐的加快,宏捷科技正在积极争取以华为海思、小米为代表的大陆客户订单。正是抓住了这一产业机遇,该公司月产能1万片的旧厂,目前产能满载,新厂于6月开工,预计明年3~4月完工,预计月产能2.2万片,到时候,合计两座厂的总产能将达到3.2万片。


除了台湾双雄以外,GCS(环宇)的GaAs代工市占率位居全球第三,仅低于稳懋和宏捷科技。GCS拥有2英寸、3英寸和4英寸的GaAs、InP、GaN和SiC晶圆产能,其中以4英寸产能为主,提供包括磷化铟镓(InGaP)异质介面双极电晶体(HBT)、磷化铟HBT、PHEMT、HFET、GaN HEMT、THz混频器二极管与IPD等制程工艺技术。


中国大陆的机会


全球化合物半导体制造,特别是代工业务的增长势头良好,这也给我国本土企业提供了商机。不过,总体来看,能够真正提供相关业务的厂商并不多,比较有代表性的是三安集成和海威华芯(海特高新的子公司)。


其中,三安集成是龙头企业,该公司于2015年3月开启通讯微电子项目(一期),建设了GaAs和GaN芯片6英寸线各一条。据悉,该公司的GaAs制程包括HBT和pHEMT,HBT主要用于手机、Wi-Fi等,pHEMT主要用于卫星通信、雷达等军事领域,总规划月产能3.6万片。


2018年底,三安集成发布了商业版本的6英寸SiC晶圆制造流程,宣布完成全部工艺鉴定试验,并将其加入到代工服务组合中。目前,该公司生产的SiC晶圆,主要用于电力电子,可以为650V、1200V和更高额定肖特基势垒二极管(SBD)提供器件结构,不久后会推出针对 900V、1200V和更高额定肖特基势垒二极管的SiC MOSFET。


结语


化合物半导体的生产制造原本是以IDM业务模式为主,但最近几年,随着工艺技术的不断成熟,市场应用需求的增长,以及越来越多相关设计企业的入场,对晶圆代工的业务需求越来越多,这很像当年逻辑器件代工业的普及过程,发展前景十分广阔。

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