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贏家就是下一個台積電!「第三代半導體」台灣科技業下一場戰爭 5大集團競逐新商機

2021-03-22
作者: 林宏達

▲(圖/取自 NetCarShow 網站)

第3代半導體是目前高科技領域最熱門的話題,不只中國想要這個技術,從歐洲、美國到台灣,所有人都在快速結盟,想在這個機會裡分一杯羹。

過去30年,台積電、聯電擅長製造的邏輯IC,基本上都是以矽做為材料。「矽基本上是一種相當全能的材料。」工研院產業科技國際策略發展所研究總監楊瑞臨觀察。

但矽也有一些弱點,如果用門做比喻,用矽做的半導體,就像是用木頭做的木門,輕輕一拉就能打開(從絕緣變成導電)。

市場剛起步 誰能成為下個勝利者?

用第2代或第3代化合物半導體就像是鐵門,甚至金庫的大門,需要很大的力氣,要施加大的電壓,才能讓半導體材料打開大門,讓電子通過。因此,要處理高電壓、高頻訊號,或是在訊號的轉換速度上,第3代半導體都優於傳統的矽。

目前,坊間所稱的第2代半導體,指的是砷化鎵、磷化銦這兩種半導體材料,「這是1980年代發展出來的技術。」拓墣產業研究院分析師王尊民說,現在所稱的第3代半導體,指的是氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)這兩種材料,「這是2000年之後才開始投入市場的新技術」。

第3代半導體的市場還在起步階段,「第2加第3代半導體占全球半導體市場的比率,不到1成,如果只看第3代半導體,也約只有1/100。」王尊民說。而根據工研院產科國際所統計,化合物功率半導體(即第2和第3代半導體)去年市場規模約298億美元,但2025年會成長到361.7億美元,2030年更可逾430億美元,成長潛力大。

尤其,第3類半導體並不好做,以通訊晶片為例,要按照不同的通訊需求,選擇不同的材料,在原子等級的尺度下精確排好,難度有如給你各種不同形狀的石頭,堆出一座穩固的高塔,誰能用這些材料,生產出更省電、性能更好的電晶體,就是這個市場的勝利者。

目前,第3代半導體有3個主要應用市場。第1,是將氮化鎵材料用來製作5G、高頻通訊的材料(簡稱RF GaN)。過去20年,許多人想用成熟的矽製程,做出可以用在5G高頻通訊上的零組件,最有名的是高通在2013年推出的RF 360計畫。當時,市場上的擔心,高通這項新技術推出之時,就是生產通訊用化合物半導體製造商的「死期」,穩懋股價還曾因此重挫。

3個主要市場 愈難做毛利愈高

結果,高通生產出來的矽晶片非常燙,完全沒辦法用在手機上;後來,連高通都回頭跟穩懋下單。業界人士觀察,通訊會愈來愈往高頻發展,未來高頻通訊晶片都是化合物半導體的天下,王尊民觀察,這個領域也是化合物半導體製造毛利率最高的部分,像穩懋和宏捷科的毛利都在3~4成。

第2個市場,是用氮化鎵製造電源轉換器(簡稱Power GaN),這是目前最熱門的領域。過去生產相關產品,最難的部分是取得碳化矽的基板,採訪時,陽明交通大學國際半導體產業學院院長張翼拿出一片碳化矽基板給我們看,這一片6吋寬的圓片,要價高達8萬元台幣。

但近幾年,市場上開始出現將氮化鎵堆疊在矽基板上的技術(GaN on Si)。這種技術大幅降低化合物半導體的成本,用在生產處理數百伏特的電壓轉換,可以做到又小又省電。目前市面上已經可以看到,原本便當大小的筆電變壓器,已經能做到只有餅乾大小,OPPO、聯想等公司,更積極要把這種技術內建在高階手機和筆電裡。

3月1日,野村證券發表題為「A GaN Changer」的產業報告,認為未來2~3年,第3代半導體將重塑全球消費性電源市場,取代用矽製作的IGBT電源管理晶片。野村證券報告預估,2023年,這個市場產值每年將以6成以上速度成長。張翼也認為,第3代半導體能源轉換效率能達到95%以上,一旦被大幅採用,「台灣能省下一座核能電廠的電」。

重塑消費電源版圖 年成長上看6成

第3個市場則是碳化矽供電晶片(SiC)。碳化矽材料的特殊之處在於,如果要轉換接近1000伏特以上的高電壓,就只有碳化矽能做到這樣的要求;換句話說,如果要用在高鐵上,用在轉換風力發電,或是推動大型的電動船、電動車,用碳化矽都能做得更有效率。

過去電動車都使用矽製成的IGBT電源轉換晶片,但特斯拉Model 3首次採用意法半導體製造的碳化矽元件,為電動車轉換電能。根據英飛凌提供的數據,同樣一輛電動車,換上碳化矽晶片後,續航力能提高4%,由於電動車每1分電源都極為昂貴,各家車廠都積極布局碳化矽技術。英飛凌預期,到2025年,碳化矽晶片將占汽車電子功率元件兩成。

2018年,日本羅姆半導體宣布,在2024年之前將增加碳化矽產能16倍。法國雷諾汽車也宣布,和意法半導體結盟,所需的碳化矽晶片由意法半導體獨家供應。2019年,德國福斯集團跟美國Cree合作,由Cree獨家和福斯合作發展碳化矽技術,同年Cree也宣布投資10億美元,興建巨型碳化矽工廠。所有人都已經看到,過去汽車是否省油,是由引擎決定,未來電動車要如何省電,則是由第3代半導體技術決定。

台積電在這個領域,早已發展多年,其他台灣公司是向歐洲技轉,但台積電則是自己花錢,由最基礎堆疊不同材料的磊晶技術開始研究。外界觀察,台積電仍是以矽基板的化合物半導體為主,這種技術在通訊上應用有限,但在電動車等應用上相當有競爭力。根據台積電年報,台積電在矽基板氮化鎵上,2020年已開發出150伏特和650伏特兩種平台。台積電將因此搭上電動車第3代半導體的成長大潮。去年2月,意法半導體宣布和台積電合作,台積電已經為意法生產車用的化合物半導體晶片。

▲台積電董事長劉德音布局下,去年公開和意法半導體合作。(圖/台積電提供)

未來技術發展 攸關電動車省電能力

事實上,在消費性電子用的電源轉換晶片上,外資指出台積電從2014年開始就幫愛爾蘭的IC設計公司Navitas代工生產。2021年,Navitas宣布,他們已經賣出了1300萬個第3代半導體變壓器,目前每個月出貨量達到100萬個,良率幾乎是百分之百。由於Navitas在這個領域擁有5成市占率,也證明台積電早已悄悄靠第3代半導體在賺錢。

這種化合物半導體目前主要仍在六吋的設備上生產,但台積電的技術現在已能改用8吋設備生產,效率更高。這項技術發展成熟之後,台積電舊有的8吋廠,由於折舊早已完成,換上化合物半導體新應用,獲利還會進一步提高。

世界先進因為擁有大量8吋的設備,也跟台積電採取相同的策略,大力發展矽基的氮化鎵晶片製造技術,以提升附加價值。世界先進董事長方略受訪時表示,正積極建立完整的氮化鎵加工技術,除了前後段製程都自行完成,也會建立自己的晶圓薄化技術。

中美晶則是另一股積極投資第3代半導體的勢力,除了去年底成為宏捷科最大股東,切入通訊用化合物半導體製造外,本刊採訪得知,中美晶旗下環球晶第3代半導體基板技術也逐漸成形,但仍需克服良率和成本問題。

同時,中美晶也在悄悄整合資源,另一路布局切入車用第3代半導體市場。中美晶董事盧明光的長子盧建志,目前是茂矽董事。茂矽年報中揭露,茂矽正在積極發展氮化鎵的快充技術。盧明光目前出任大同董事長,大同也有自製國產電動大巴電力系統的技術,本刊採訪盧明光,他也是朋程董事長,盧明光表示,目前6吋的矽晶圓價格是20美元,6吋的碳化矽要1500美元,當碳化矽成本能降到750美元,車用碳化矽的MOSFET就有機會普及,他估計「大概還要5年以上」。

▲3月2日,大同董事長盧明光(右二)、執行副總戴豐樹(右一)發表台灣首款電動巴士動力系統。(圖/潘重安攝)

台積電、中美晶、漢民 主要逐鹿者

漢民集團則是最早布局化合物半導體的公司,在結束瀚薪之前,漢民從車用化合物半導體晶片設計(瀚薪),基板和磊晶技術(嘉晶),到代工製造(漢磊),體系十分完整。漢磊也是台灣少數同時能製造氮化鎵和碳化矽晶片的公司,也因此,瀚薪的解散更讓人覺得不尋常。

此外,富采(原晶電)由於LED製造原本就需要化合物半導體磊晶技術,2018年也將旗下代工事業分割出來,成立晶成半導體,專攻化合物半導體製造。2019年,環宇−KY也投資晶成,目前晶成也有能力提供矽基氮化鎵功率半導體製造服務。

根據張翼觀察,目前台灣在第3代半導體領域,是「製造強,兩端弱」,做代工製造的公司很多,但有能力設計第3代半導體IC設計的公司卻不多。高頻電路設計需要數學、物理、電磁波理論基礎,功率IC設計需機電(機械、電子、電機)整合背景,設計人才非常稀有。另外,台灣也需要突破基板製造的技術;例如,製造通訊IC需要絕緣碳化矽基板,如果台灣有能力自製基板,穩懋和宏捷科的發展會更為快速。

在發展第3代半導體上,不管台灣還是中國,與歐美仍有不小的差距。名列全球前10大半導體廠英飛凌,高級經理高金萍接受本刊採訪時表示,目前全球主流車廠電動車規格已往800伏特高壓平台發展,意即對台廠來說較為困難的碳化矽將成主流。英飛凌發展碳化矽技術超過25年,已有20家車廠在使用及評估英飛凌的碳化矽產品。

中國追兵虎視眈眈 台灣不可輕忽

高金萍指出,未來不只電動車需要第3代半導體,從提升太陽能發電效率,縮短電動車充電時間,到提高資料中心的用電效率,縮小行動裝置電源體積,都用得上這項技術。

目前,中國也拚命投資第3代半導體,如華為投資碳化矽磊晶公司瀚天天成;長期生產LED的三安光電,也因為使用的材料相近,發展受到矚目。但業界人士透露,以三安光電為例,化合物半導體產能約為1500片,跟台灣穩懋、宏捷科數萬片的產能相比,仍有不小差距。

第3代半導體是未來各國搶占電動車、新能源,甚至國防、太空優勢,不能忽視的關鍵技術,誰在這個領域領先,誰就能在這個領域勝出,有機會成為下一個台積電。

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