霸氣喊「我們不做Me Too產品」!世界先進憑什麼前進氮化鎵元件市場?

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根據國際調研機構顧能(Gartner)統計,2020年全球晶圓代工廠排名中,由台積電轉投資的8吋晶圓代工廠世界先進,以年營收331.31億元一舉拿下第8名,比2019年前進1名。

世界先進以特殊積體電路製造(Specialty IC Foundry)技術見長,擁有4座8吋晶圓廠,分別位於台灣與新加坡,2020年平均月產能24萬片8吋晶圓。2021年,更擴大資本資出投入85億元,用以擴充產能與新製程的研發,進一步強化製程技術與高附加價值的服務。

為了布局未來成長動能,世界先進也看好第3類半導體應用於電動車、綠能、5G基地台、雷達與快速充電技術等領域的潛能,積極投入研究氮化鎵(GaN)晶片製程技術平台,擴展客戶版圖。

市界先進積體電路_董事長_方略 圖/郭運復攝影
市界先進積體電路_董事長_方略 圖/郭運復攝影

根據研調機構TrendForce調查,2021年隨著各國於5G通訊、消費性電子、工業能源轉換及新能源車等需求拉升,驅使如基地台、能源轉換器(Converter)及充電樁等應用需求大增,同步使得第3類半導體氮化鎵及碳化矽(SiC)元件及模組需求強勁。其中,以氮化鎵功率元件成長幅度最高,預估2021年營收將達8,300萬美元,年增率高達73%。

早在2018年,世界先進就已經宣布朝量產氮化鎵晶片的目標努力;然而,根據官方最新公布的進度,最快要等到2022年才會有客戶的產品問世,顯示量產需克服的問題難度不小。而世界先進在氮化鎵量產時間的推遲,主要是走了不一樣的路。

QST基板性價比優勢,成8吋氮化鎵製程秘密武器

有別於同業採用昂貴且良率不高的碳化矽基板,供應多被Wolfspeed(前身為Cree)、貳陸(II-IV)和羅姆半導體(ROHM)等國際大廠壟斷,世界先進選擇與美國設備材料廠Kyma及其轉投資的氮化鎵矽基板廠Qromis合作,開發出Qromis 基板技術(簡稱QST)。

因為不想做『Me Too』(與其他同業一樣)的東西,所以必須花更久的時間做出差異化方案。」世界先進事長方略表示。QST基板相較業界以矽(Si)作為基板,具有與氮化鎵磊晶層更緊密匹配的熱膨脹係數(CTE),在製程中堆疊氮化鎵的同時,也能降低翹曲(warpage)破片,更有利於晶圓代工廠實現量產。

世界先進_QST氮化鎵基板 圖/世界先進.Kyma Technologies
世界先進_QST氮化鎵基板 圖/世界先進.Kyma Technologies

有了這個被方略稱為「工程基板」的QST基板材料,在目前以6吋晶圓為主流的第3類半導體市場中,世界先進將能生產出罕見的8吋氮化鎵晶圓。如果又能與公司既有的8吋機台設備、管理與開發相互配合使用,如期在2022年量產基於QST基板的氮化鎵元件,更將在全球居於先行者的地位。

進一步而言,氮化鎵材料特性適用於生產高功率密度的電子元件,通常業界會以1,200V(伏特)作為界線,超過這個電壓就會使用氮化鎵以外的材料。過去以矽為基板,依業界標準是無法支援650V以上電壓的轉換門檻,而QST基板可解決這個問題,且成本比碳化矽基板便宜,可提供高鐵、電動車等高功率應用。

突破量產瓶頸,氮化鎵產品2022上半年亮相

截至目前,世界先進在氮化鎵的發展逐漸接近量產階段,已有客戶進行原型設計與送交製造(Tape-out),目標在2021年底完成所有程序設計(Process Design)。順利的話,2022年上半年就會有產品面世,屆時將是台灣主要量產8吋氮化鎵晶圓的業者之一。

相比於6吋晶圓,8吋晶圓意味著可以利用更大晶圓尺寸,圓角內能切割的面積愈多、減少製程中原料的浪費。同時,每塊氮化鎵晶圓也能生產更多晶片,8吋比6吋增加日產量一倍以上,能降低晶片單位成本。

儘管氮化鎵的生產製造設備與矽製程差異不大,但是在產製過程中,還是面臨不少挑戰,包括材料的穩定性、材料與基板的相容度,以及晶圓內的原子結晶混和匹配(Mix Match)等,這些難題都還有待更多研究測試與驗證來解決。

對世界先進來說,雖然在全球半導體產值中,第3類半導體的貢獻還不到1%,但考量到市場前景大好,仍將積極掌握氮化鎵前後段製程,以期在未來新興應用市場扮演關鍵角色。

方略還強調,即使再過5年,第3類半導體產值也未必超過(半導體整體市值的)1%,但是新材料(碳化矽、氮化鎵)衍生的商機,將突破矽材料無法做到的領域,將是值得探索的嶄新世界。

世界先進積體電路_董事長_方略 圖/郭運復攝影
世界先進積體電路_董事長_方略 圖/郭運復攝影
世界先進積體電路

成立:1994年
董事長:方略
近期財報:2021年前3季累計合併營收312.13億元,年增27.85%;累計前3季每股稅後純益(EPS)4.94元。
關鍵技術:台灣少數具備8吋氮化鎵晶圓生產能力的廠商,與美國氮化鎵矽基板廠Qromis研發特殊基板QST,較矽基板支援更高功率效能應用,預計2022年量產。
目標:鎖定利基型市場開發氮化鎵技術,以支援高電壓、高頻率、高效能電源功率應用,如高鐵、電動車領域。

責任編輯:吳佩臻、張庭銉

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