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能讯半导体:5G时间窗口只有三年

王树一 TechSugar 2018-12-17

“现在正处于从LDMOS转到氮化镓的时间窗口,但只有三年。”能讯半导体总经理任勉表示,在氮化镓领域耕耘十二年,能讯半导体迎来关键时间节点,抓住5G基站建设机会,就可以在竞争中占据有利位置。


当前基站与无线回传系统中使用的大功率射频器件(功率大于3瓦),主要有基于三种材料生产的器件,即传统的LDMOS(横向扩散MOS)、砷化镓(GaAs),以及新兴的氮化镓(GaN)。市场调研机构Yole(Yole Developpement)的2017年7月的报告预测,未来5到10年,砷化镓在大功率射频器件市场上所占比例基本维持稳定,但LDMOS与氮化镓将呈现出此消彼长的关系。2025年,LDMOS占比将由现在的40%左右下降到15%,而氮化镓将超越LDMOS和砷化镓,成为大功率射频器件的主导工艺,占比到2025年可达45%左右。2019年至2021年为5G基础设施建设的关键期,也将是氮化镓器件替换LDMOS的关键期。


GaN与LDMOS未来趋势

数据来源:Yole



为何氮化镓会取代LDMOS?


氮化镓是宽禁带工艺,其禁带宽度(3.4eV)是普通硅(1.1eV)的3倍,击穿电场是硅材料的10倍,功率密度高,可以提供更高的工作频率、更大的带宽、更高的效率,可工作环境温度也更高。由于成本优势,LDMOS在低频仍有生存空间,但氮化镓已经在向低频渗透,例如在2.6GHz频段,也开始出现氮化镓方案。


“按照业界理解,3.5GHz是一个分水岭,3.5GHz及以上频率,氮化镓工艺有全面的优势,无论是带宽、线性度、增益还是效率,硅器件都无法与氮化镓竞争,”任勉分析道,由于工艺输出功率特性限制,LDMOS在3.5GHz及以上频率不能提供足够大的功率,所以从3.5GHz到未来的毫米波,高频应用中氮化镓不是去替代LDMOS,而是开辟全新的市场空间,“往高频走,氮化镓是必然的选择,因为需要更大的带宽,更好的线性度,将来走MIMO(多入多出)方案,一台基站里面就要用几百个PA(功率放大器),5G和高频化应用,让氮化镓大有用武之地。以前大家觉得射频器件只是一 两百亿(美元)的市场,规模不大,但5G时代不是,5G有小基站,基站部署数量将呈指数形式增长,所以5G时代,射频器件产业将比以往大得多。”任勉认为,近年来的氮化镓投资热潮,即来自于对这一趋势的认同。


成本曾是氮化镓取代LDMOS的最大障碍,如今这一障碍正在逐渐消失。氮化镓工艺常用衬底有两种,一种是用硅材料,一种是用碳化硅材料。除了MACOM,主流氮化镓器件公司都采用碳化硅衬底,基于碳化硅衬底的氮化镓器件比硅衬底氮化镓器件性能更好,良率更高,更能体现氮化镓材料优势,但碳化硅衬底成本更高。



能讯半导体生产的氮化镓器件

及参考设计


不过衬底成本正在伴随制造工艺的进步而快速下降,大尺寸衬底均摊成本更低。据任勉介绍,采用6英寸碳化硅衬底制造出的器件,衬底成本占整个器件成本比例已经不到10%。“氮化镓主要用金属陶瓷封装,封装成本占到整个器件成本的三分之一到一半,这是很可怕的成本,所以业界在拼命努力开发各种降低成本的封装方式,”任勉表示,封装的成本更值得关注,业界已经在尝试纯铜、塑封、空腔塑封等形式来替代金属陶瓷封装,但由于金属陶瓷封装在性能、散热与可靠性上的优势,仍然是氮化镓器件的首选封装。


为何氮化镓产业更适合IDM模式?


氮化镓封装成本高,建设封装产线的投入也很大,据任勉估算,100万支产能的金属陶瓷封装线,仅设备投入就要六七千万元,但能讯还是自建了封装线,这样可以保证产品一致性,也符合通讯设备商对其关键元器件供应商的在产品质量方面的要求。


事实上,从材料衬底外延、芯片制造,到最终的封装测试,三大制造环节能讯全部都做,即所谓的整合元件制造商(IDM)模式。“材料结构与工艺密切相关,而工艺又决定了产品最终的电学性能,材料、设计、制造与封测一体相关,所以氮化镓行业基本以IDM为主导,设计公司暂时还不太有市场。”任勉告诉TechSugar,现阶段只有IDM模式最适合氮化镓产业。射频与功率器件集成度不高,设计变化不多,设计环节附加值较低,再加上现在氮化镓产业本身规模不大,因此设计业很难独立生存。


不过任勉也表示,高频率器件或毫米波等应用普及以后,随着市场规模增大,代工模式将有可生存的空间。


如前所述,因为材料、工艺与设计紧密结合是射频或功率器件竞争的主导性因素,所以全球成功的射频或功率器件公司,多数都采用IDM模式,IDM模式对产品全流程的管控能力更高,但所有产线都自己来建设,进入门槛很高。


能讯半导体厂房内部


除此之外,能讯在氮化镓电力电子领域进行了技术储备。能讯的“讯”代表通信,而“能”则代表能讯关注的另一个方向,即电力电子领域的功率应用。相比硅器件,氮化镓做功率器件也有诸多优势,但氮化镓在电力电子领域应用的技术路线现在尚未确定,所以在电力电子领域,能讯维持研发投入,目前尚无量产计划。


能讯半导体从成立到现在已经进行了三轮融资,总共投入约10亿人民币,其第一规模工厂(FAB1)位于苏州昆山高新区,工厂占地55亩,厂房面积为18000平方米,经过第三轮5亿元融资后,现有产线改造扩容结束将具备年处理4英寸氮化镓晶圆5万片(约折合2000万支器件)的能力。如果氮化镓器件能在5G市场部署时如期爆发,能讯将会规划建设第二个工厂,第二工厂必然会建6英寸产线,届时投入将会是一厂的三倍以上。


为何现在进入氮化镓射频市场机会已经不大?


但在氮化镓领域,即便资金不是问题,也不意味着就能胜出,时间窗口至关重要。即使完全不考虑资金限制,从无到有建设一条能量产出货的氮化镓产线也需要五年左右时间。“从拿地开始算,做完厂区设计及建设,到可以进设备至少需要两年;从进设备到工艺走通实现量产,至少需要一年时间;产品可靠性稳定,至少一年时间;客户认证,一年左右时间,加起来就是五年。而且各阶段环环相扣,很难同步进行,”谈及产线建设,任勉如数家珍,“工艺调不通无法做可靠性,可靠性不稳定,不敢拿给客户做认证,这五年时间谁都省不掉。所以,能讯并不担心其他企业一拥而上做氮化镓,如果你现在刚开始做,等五年以后再谈与我们竞争。后来者一定要想清楚,自己真正的优势在哪里。”


能讯半导体厂貌



任勉强调,就芯片产品而言,只有解决可制造性、可靠性与可应用性,技术才能落地,在实验室做得很好的产品,到最终大规模量产被客户接受,要跨越的距离远超很多技术专家的想象。国内产业发展多见一窝蜂上的现象,但在半导体市场,不尊重行业规律盲目投资,很难获得想要的收益。


即使不考虑后来者,当前射频氮化镓市场厂商竞争也非常激烈,面对5G设备部署良机,住友、科锐、恩智浦、英飞凌、Qorvo等国外巨头再加上国内能讯、13所、55所等近十家厂商谁都不会退让。大家都加大投入赌这次机会,氮化镓排名前几的厂商,性能指标交替发展,“没有哪一家永远第一,厂商各领风骚一段时间,”任勉认为,乱世之争很可能在三年后结束,而且市场格局一旦建立,就很难打破。


任勉判断,未来氮化镓市场很有可能只有4-5家能生存下来,只有进入前三,才能获得较好的投资效益。拼到前三的方法,任勉总结为两点:技术领先与快速上规模。经过12年研发、产能建设与经验积累,能讯半导体已经开始出货给通信设备厂商,移动通信每一次更新换代,都是一次洗牌的机会,5G设备换代将是能讯半导体冲击世界品牌的最好机会,不容有失。


虽然多次强调危机感,但任勉对活下来显然也很有信心,他说:“在射频领域为中国半导体立一块品牌,是能讯的理想。”



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