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贰陆公司(II-VI)以购并、协议串接垂直供应链
走向IDM模式

【作者: 約書亞】2021年11月22日 星期一

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全世界主要国家都为了减低碳排放而推广电动车,带动全球推动发展化合物半导体碳化矽(SiC)的计画。


以美国为例,美国拜登政府接下来四年的科技政策方向,主要会应用在节能减碳的电动车、充电基础设施、太阳能、能源储存等绿能产业市场(图一),其中最大的市场在电动车高功率元件(High power device),包括主逆变器(Main Inverter)、车载充电器(on board charger;OBC)及直流/直流转换器(DC/DC converter),复合年均增长率(CAGR)38%。次大为太阳能光伏及能源储存市场,CAGR 17%。第三大市场为电动车充电桩、电动化车款(xEV)[1]充电基础设施,CAGR高达90%。



图一 : 美国政府推动绿能产业三大市场。(source:作者绘制)
图一 : 美国政府推动绿能产业三大市场。(source:作者绘制)

美国总统拜登因推动电动车签署一项行政命令,喊出2030年前要让美国电动车占总体销量的一半,也就是2030年新车有一半电动车。


为满足2030年电动汽车的预期增长,预估需要3000亿美元来建立一个全球充电网络,其中仅在美国就需要500亿美元。电动汽车充电站将成为拜登政府推动的2万亿美元基础设施法案的一部分,拜登政府也在2021年3月底宣布在美国投资建置50万个充电桩。


拜登大手笔建设电动车充电系统,带动美国在第三代半导体碳化矽(SiC)的成长,因为相较之下,化合物半导体材料碳化矽因具超高功率、高电能转换效率及高热导率的材料特性,更能够在高温、高频率及高电压等恶劣环境作业下损失较少功率,从而更适合诸如电动车充电桩及其充电基础设施等应用场景。


美国因推动电动汽车绿能产业,扩充电动车高功率元件、充电桩(站)等充电基础设施市场,带动碳化矽半导体产业增长。


美国II-VI公司SiC晶圆全球市占排名第三

总部位于美国宾州Saxonburg的贰陆公司(II-VI Incorporated),成立于1971年,员工人数超过2,2000人,分布全球18个国家。公司主要对用于雷射制程、光纤通讯、红外导弹制导、先进的X射线系统及核辐射检测等光学及光电元件产品进行设计、开发、制造及销售,包括透镜、耦合器、反射镜、扫描透镜、模组化激光加工头、二极管激光器、单微米激光系统、光纤电缆和模组化光束系统等产品,产品主要应用于光通讯感测元件(图二,占67%),并在美国、新加坡、大陆、墨西哥及比利时等地生产,销售市场以北美占约5成、中国与欧洲各2成、日本7~8%。



图二 : II-VI公司产品主要应用市场占比。(source:II-VI)
图二 : II-VI公司产品主要应用市场占比。(source:II-VI)

II-VI公司2020年营收达23.8亿美元,其中光学解决方案业务占65%,化合物半导体业务约占35%。在化合物半导体方面,II-VI于北美设立2座长晶厂、1座晶圆切抛磨厂、1座磊晶厂、1座RF元件厂,展现在碳化矽(SiC)和氮化镓(GaN)等化合物半导体技术,具有6吋晶圆垂直整合供应链能力的领先企业,组织策略是为了走向一条龙IDM大厂,并企图在5G通讯、绿能及电动车等应用领域发光发热。


尤其碳化矽(SiC)具有耐高温、高压及高效功率转换等特性,特别适合应用在电动车内主逆变器或直流-直流转换器等高功率元件及高频RF放大器等无线网路的应用。


II-VI公司SiC晶圆全球市占约一成,排名第三,仅次于全球排名第一Cree旗下的Wolfspeed以及排名第二Rohm旗下的SiCrystal。 II-VI自主开发设计SiC长晶设备,2020年SiC产品营收约5亿美元,2020~2025年预计6吋SiC基板产量提升5~10倍。


率先投入8吋SiC基板研制 兴建研发中心和生产线

2015年7月II-VI就展示了200mm(8吋)4HN碳化矽衬底,2019年1月和10月更相继宣布采用REACTION项目来生产8吋碳化矽衬底,以及推出用于射频功率放大器的8吋半绝缘碳化矽原型衬底。 II-VI是全球第一家试制并发表8吋SiC基板的公司,即便是Cree和意法半导体(ST)等大厂,也都在其之后陆续开展8吋基板研制计画。


预计碳化矽将是II-VI 未来十年内最大的业务之一,且未来5年内II-VI预计将8吋碳化矽衬底的生产能力提高5至10倍。 II-V近来持续扩产并兴建研发中心的规划,包括2021年在福州亚洲区域总部正式建立了用于SiC导电衬底的后段加工线,以及为了服务全球最大的电动汽车市场而在上海设立II-VI最大的技术和研发中心。据悉该研发中心拥有近600名员工,展现了II-VI不断加大将碳化矽制造业务扩展到中国的力度。


运用购并、协议串接垂直供应链

近年来,II-VI陆续收购了数家企业而备受关注。2017年8月,II-VI 以8000万美元收购了英国6吋晶圆制造厂Kaiam Laser Limited;2018年3月,II-VI宣布斥资8500万美元收购波长选择开关开发商CoAdna,并将CoAdna并入II-VI光子学(Photonics)部门;2019年9月收购iPhone脸部辨识技术供应商菲尼萨(Finisar),营收出现爆炸性成长;2020年8月,II-VI宣布收购瑞典SiC外延晶片和器件企业Ascatron AB以及离子注入服务提供商INNOViON Corporation;2021年3月,II-VI宣布以70亿美元成功收购了全球领先的雷射制造商Coherent。II-VI近几年以购并方式进行供应链整合与市场扩张,营收成长、效益显著。


II-VI在战略协议方面,于2018年10月与日本住友电气合作开发5G应用的6吋GaN on SiC 晶圆;2019年1月,II-VI为欧盟的「展望 2020」计画(Horizon 2020)供应实验用 SiC基板;2020年6月与美国奇异(GE)集团签署合作协议,取得GE授权进入SiC功率元件的制造。 II-VI公司透过国际结盟、战略协议等策略朝IDM(整合元件制造)大厂的模式发展(图三)。



图三 : II-VI以国际结盟战略协议策略朝IDM厂模式发展。(图片:作者绘制)
图三 : II-VI以国际结盟战略协议策略朝IDM厂模式发展。(图片:作者绘制)

观点:台湾发展SiC市场

(一)上游材料制程难度高是SiC晶圆成本高昂的主因


以往台湾的矽基半导体产业,优先发展后端,前端多仰赖国际大厂;如今培植化合物半导体产业发展,可从源头补链。第三代半导体材料已成为显学,但能否放量生产的关键仍在上游材料端。


SiC晶圆是碳化矽供应链的关键,涉及高性能碳化矽基板的长晶、切割、研磨抛光等高难度技术,其中碳化矽长晶为碳化矽供应链最大技术门槛。 SiC基板制造难度高是SiC晶圆生产价格居高不下的主因,热场控制及晶种掌握是SiC基板的关键制程。此外,SiC本身材料硬且脆,切割、研磨抛光难度高,也是使得SiC晶圆成本高昂的原因之一。 SiC功率元件现阶段的成本架构如图7所示。



图四 : 碳化矽功率元件成本架构。 (图片:作者绘制)
图四 : 碳化矽功率元件成本架构。 (图片:作者绘制)

(二)政府计划的推动及人才培育的规划是台湾发展的关键


美国雷射光学元件设计制造商贰陆公司(II-VI)是全球第一家试制并发表8吋SiC基板的公司,甚至还自行开发SiC长晶等设备。台湾在化合物半导体的应用仍在萌芽阶段,初期若也能同步发展设备与制程,透过自建设备将可带动效益倍增,提高竞争力。


为支持半导体产业的稳健发展,经济部在行政院政策指导下分别于今年启动『A世代半导体-先端技术与产业链自主发展计画』及明年启动『化合物半导体先进制造技术研发与关键应用发展计画』,聚焦产业需求及共识拟定以进行化合物半导体发展规划,同步发展碳化矽高功率半导体技术与产业链,布局碳化矽设备、材料、元件、模组与应用。


台湾的利基优势除了政府积极展开的「化合物半导体计画」,也应整合产、官、学各界资源,推动人才培育规划,例如鼓励大学院校增加化合物半导体奖学金广纳全球优秀人才、建立就业为导向的技职体系与培养基层技术人力等,以稳固台湾在化合物半导体全球产业链的领先与关键地位。此外,工研院南方雨林计画以四年为目标,结合南部汽车零组件产业推动发展化合物半导体碳化矽(SiC),政府计划的推动及人才培育的规划,将使台湾在矽基半导体领域外持续发光发热。


(三)在纯熟的矽半导体产业基础上延伸至SiC市场


台湾具有纯熟的矽半导体产业优势(技术能力及完整供应链),在原本基础上延伸至SiC市场,客户和通路重叠性都高。与产业链中的重要厂商携手合作并建立台湾自有的产业链,让整个产业链完整化,仍将具有竞争利基,例如环球晶与GTAT签长约取得碳化矽晶球长稳供应,自主研发生产碳化矽基板并供应宏捷科顺利量产碳化矽基氮化镓(GaN on SiC)产品,便是其中一例。


(作者约书亚,为科技产业技术与市场专利的资深研究人员,熟稔技术转移与相关法律知识,曾任职于光电领域,担任智财权的分析与管理)


参考资料

[1]电动化车款(xEV),包含电动车(EV)、插电式油电混合车(PHV)、油电混合车(HV)、轻型 HV(Mild-Hybrid;48V)和燃料电池车(FCV)。


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