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[导读]惊人的增速之下,半导体行业亟待颠覆性解决方案。反观半导体器件的演进一直以来都遵循着“PPACT”的规律,即性能(Perfomance)、功耗(Power)、上市时间(Time-To-Market)、所占面积(Area Cost)。为了实现这种进化,行业正面临挑战,包括超越摩尔定律、新型体系架构、新型结构/3D,新型材料、缩减尺寸的新方法、先进的封装技术。优化衬底便是突破限制和挑战的好方法,通过从晶圆这片“源头”入手,改善晶体管的性能,为后续设计和流片打好“地基”。

半导体行业近两年发展速度迅猛,据估计2020-2030的十年时间内,半导体行业将增长2.2倍。届时行业将围绕智能手机、汽车、物联网、云及基础设施四大市场和5G、人工智能、能源效率三大趋势发展。

惊人的增速之下,半导体行业亟待颠覆性解决方案。反观半导体器件的演进一直以来都遵循着“PPACT”的规律,即性能(Perfomance)、功耗(Power)、上市时间(Time-To-Market)、所占面积(Area Cost)。

为了实现这种进化,行业正面临挑战,包括超越摩尔定律、新型体系架构、新型结构/3D,新型材料、缩减尺寸的新方法、先进的封装技术。

优化衬底便是突破限制和挑战的好方法,通过从晶圆这片“源头”入手,改善晶体管的性能,为后续设计和流片打好“地基”。近日,半导体优化衬底商Soitec展望其在2021年的计划,21ic中国电子网记者受邀参加此次媒体交流会。

5G撬动的市场增长

5G是优化衬底目前需求增长最大的市场之一,凭借其10倍的速度、10倍的相应时间、10倍的连接设备数量、100倍的网络容量,5G迎来了大规模部署。

数据显示,20205G手机销量约为2亿台,建成约20万个5G基站。据Soitec全球战略负责人Thomas Piliszczuk预测,20235G手机的销售量将占比50%2025年全球将有超过55%的区域实现5G覆盖。

5G这项技术不仅可以用于智能手机,也可用在汽车、IoT、制造上实现万物互联的特性,这些领域也将凭借5G发挥更好地生产力和质量更高的服务。Thomas Piliszczuk强调,5G的垂直、衍生技术、应用和频谱将持续发展,5G也将驱动创新促使智能手机升级并助力其他行业转型。

2G时代伴随Wi-Fi首次面市,SOI天线开关的应用,RF-SOI从开关的备选逐渐成为行业标准解决方案,根据Soitec预测此时RF-SOI应用面积仅为1m㎡。历经3GLTELTE-ALTE-A-Pro直至5G时代的变迁,Soitec预测5G sub-6GHz&mmW应用时期,采纳RF-SOIFD-SOI应用总面积将达到130m㎡。值得一提的是,伴随着5G的到来,FD-SOIPOI技术也逐渐引入智能手机,优化衬底市场正随着5G到来而迎来新的“黄金期”。


由汽车衍生的动能革新

汽车行业也是急需晶圆优化衬底的行业之一。目前来说,汽车行业正朝向CASEC:互连、A:自动化、S:共享、E:电动化)发展,庞大市场背后是巨大的“胃口”,在性能、功耗、面积上会拥有更加严苛的要求。

数据显示,20265G汽车销量将达到2700万辆,2028年全球共享车队数量将达到100万辆,2030L3及以上车型销量700万辆,2030年全球电动汽车销量将达到4500万辆。

CASE之下,整车的BOM中电子系统的占比逐渐增大,自2019年至目前车型对比增加28%~44%Thomas Piliszczuk强调,这些增长并不仅是应用面积的增长,也有新应用种类及新芯片种类的增长。

2019SoitecPower-SOIFD-SOIRF-SOI总应用面积达到150m㎡;2020-2022POI将引入汽车应用,相关SOI应用将扩大范围,总应用面积将跃升至276 m㎡;2022年及未来SiC/GaN Power将为EV动力系统带来新“动能”,总应用面积将跃升至2011 m㎡。

从技术到产品的自由组合

“优化衬底对行业是特别重要的,且会成为行业的标准,就比如说5G领域”,Soitec 首席运营官兼全球业务部主管Bernard Aspar强调,Soitec的工作方式就是与整个生态系统进行合作,包括直接客户及客户的客户,这样才能保证对整个产业所面临的挑战有更深刻的了解。

从技术方面来讲,目前Soitec拥有四项核心技术包括Smart Cut™(智能剥离技术)、Smart Stacking™(智能叠加技术)、Epitaxy(外延技术)、Compound Semiconductor(化合物半导体技术)。“

几项技术之间是存在互相联系的,通过综合地运用这几个技术可以实现不同材料的堆叠,打造新产品。Soitec不仅在每项技术上都是领先者,在各项技术的搭配应用上也是领先者”,Bernard Aspar表示,正因Soitec拥有不同技术,所以才能生产多种优化衬底。凭借领先技术优势,Soitec可根据需要解决的挑战或需要满足的市场需求,生产出不同的衬底。

他为记者举了几个例子表示,利用技术的优化组合,再利用硅材料,可以开发出SOI类的产品;利用压电材料,可以生产出POI(压电绝缘体);用碳化硅材料或者是氮化镓材料,也可生产基于它们的相应的产品。“对于Soitec来说,我们要做的就是从充分理解行业的需求和客户的需求,来做出适应需求的优化衬底。”


从产品方面来讲,Soitec提供丰富的SOI相关产品,覆盖硅基、非硅基领域。具体包括FD-SOI(处理器&SoC连接)、RF-SOI(射频前端模块)、Power-SOI(功率)、Photonics-SOI(光电)、Imager-SOI(成像)的SOI产品;POI(压电绝缘体)和GaN(氮化镓)的压电及化合物产品。


优化衬底业务将全线“开花”

RF-SOI业务单元方面,Bernard Aspar表示2020年全球智能手机市场同比上一年下降约10%,预测2021年全球智能手机将出现强劲反弹。这是因为5G对于RF-SOI用量更大,包括智能手机的Sub-6 GHz、毫米波和Wi-Fi 6三个部分。

数据显示,5G手机中RF-SOI采用面积相比4G含量增高60%,比中端手机至多可高100%,由此便引发了200mm300mm节点RF-SOI的需求旺盛。Bernard Aspar强调,Soitec技术领先,制定涵盖高端和低端细分市场的产品路线图,满足5G sub-6 GHzmmW Wi-Fi 6的需求。


FD-SOI业务单元方面,Bernard Aspar表示:“FD-SOI将继续扩大在超低功耗的应用,驱动增长的因素主要是5G、边缘计算、汽车,同时FD-SOI的采用率上升也受益于越来越多的技术需要超低功耗的能力。此外,由于可以通过AI管理的射频到比特流SoC以及新一代的Soitec技术为云端添加无线电连接,这也带动了一系列FD-SOI的应用。”

莱迪斯的CrossLink FPGA平台、意法半导体的Stellar MCU平台、格芯的22FDX RF+、三星的FD-SOI+eMRAM都是FD-SOI助力代工厂的成果。根据Bernard Aspar的介绍,目前代工厂正在研发18nm12nm工艺节点的产品。


Specialty-SOI业务单元方面,Bernard Aspar介绍表示,Power-SOI主要用于汽车市场,经历2020年的市场疲软后,未来市场将迎来复苏。另外,Soitec将签署长期合同确保客户合作,300mm产品的供应延迟。

Imager-SOI主要用于面部识别,该技术将伴随高端智能手机的需求不断发展,利用其优势来满足智能手机对于3D传感的高标准要求。

Photonics-SOI主要用于数据中心光学收发器,其在IDM和代工厂的100G收发器上有稳定的需求,400G硅光器件和共同封装光学器件的发展也将持续增强数据中心供应。


在滤波器业务单元方面,Bernard Aspar预测5G Sub-6 GHz的采用将推动滤波器用量增长。POI衬底技是射频滤波器的理想选择,该技术能提供5G滤波器更大的带宽、更低的损耗、出色的温度稳定性和有效的排斥。

据介绍,Soitec已与高通公司签署有关为4G/5G RF 滤波器提供POI衬底的商业协议。目前Soitec150mm POI衬底已进行大规模量产,并且整体POI产能准备扩张至 50万片/年。


Soitec Belgium(原EpiGaN)业务单元方面,Bernard Aspar介绍20195Soitec并购了EpiGaN,现在该业务单元已完美、有机地结合到整体业务中。

目前基站和智能手机中用于射频的氮化镓外延片需求量较大,而部分客户已开始对用于功率器件的200mm硅基氮化镓进行评估。Soitec拥有硅基的氮化镓和碳化硅基氮化镓两种结构产品,IDM和代工厂等优质用户购买RF氮化镓及硅产品(150mm-200mm)持续增长之中。


在化合物业务单元方面,Bernard Aspar表示2021年第一季度的合规产品已准备就绪,该业务单元主要是基于Smart Cut™的碳化硅衬底,其顶层是高质量的碳化硅,下层是低电阻率的衬底。

目前,Soitec与应用材料公司合作所制定的计划,试生产线已全面投入运行。据预测,碳化硅晶圆需求量将在2030年增加10倍。


Dolphin Design方面,Thomas Piliszczuk表示Soitec收购芯片设计公司Dolphin Design,旨在加速为电子行业提供Soitec自主研发设计的优化衬底。目前Soitec十分欣喜这一方面的取得的进展,Dolphin Design已向市场交付一些针对于FD-SOI特性的IP设计的关键技术。

“作为重要的芯片厂商之一,格芯正在向全球的客户提供这种IP设计,这使得众多应用及无晶圆厂半导体公司加速采纳FD-SOI技术并扩张其生产规模。总体来说,收购Dolphin Design,使Soitec能提供出色的解决方案用于IP设计、完整地设计产品,满足低功耗和高能效应用的需求。我们对Dolphin Design在未来的发展持乐观态度,会主要关注能效以及电源管理方面的市场需求”,他这样为记者介绍。


优化衬底将在中国市场持续突破

“中国一直是Soitec最重要的市场之一”,在本土化逐渐成为行业必然提到的话题之下,Soitec中国区战略发展总监张万鹏这样对记者说。

根据他的介绍,Soitec1992年公司成立至今,一直与大学研究机构以及业界最领先的材料公司、设备公司、设计公司、系统公司合作,为手机行业、汽车行业服务。

“对于中国来说,我们希望能够把这些最新、最好的经验带到中国来,帮助中国的同行解决问题。与此同时建设在中国的行业生态,不仅仅是在此前提及的5GAIoT以及电动汽车领域,也希望能够加强与本地行业伙伴的合作,建立灵活的商业合作模式,建立本地供应链以及本地支持”,张万鹏强调,新傲作为本土合作生产商之一对Soitec帮助很大。

Soitec希望通过团队的本土化来加强对中国市场的支持能力,同时希望能够利用中国正在大力发展的新基建、电动汽车等,来帮助合作伙伴解决行业中遇到的挑战以及传统材料的瓶颈问题。


Soitec全球销售主管Calvin Chen表示,目前国内已有超过30个项目合作,包括主流产品和正在开发的新材料与新产品。经过几年的耕耘,目前主流的产品会开始有销售增长,其中几个项目会在一年内开始进入试产和量产阶段。他强调,RF-SOIPower-SOI已成为业界标准,预计不久之后会有爆发式的增长,开始对Soitec有大量的销售贡献。

除此之外,在FD-SOI方面Thomas Piliszczuk透露,过去几年Soitec已开始与上海华力微电子进行接洽,华力微电子近年来一直在研发FD-SOI技术,并向市场交付产品。华力提供两个技术节点的产品分别是55nmFD-SOI22nmFD-SOI

5G、人工智能、边缘计算和能效推动的电子增长“黄金十年”之下,优化衬底将发挥关键作用,并逐渐成为行业标准。Soitec不仅将优化衬底产品组合已从SOI扩展到POIGaNSiC,也将不断加强在中国市场的地位。

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