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5G需要怎样的衬底技术?如何从晶圆“源头”为芯片设计及流片打好“地基”

作者: studytogether 添加日期:March 16, 2021 抢个沙发

目前,全球芯片短缺问题日益严重。2021年伊始,国内手机行业因为手机芯片紧缺,众多手机厂商发布新机型却难有现货发售,纷纷表示“今年芯片不是缺,是非常缺”。目前,为了向市场交付解决方案,行业面临着一些挑战,包括需要超越摩尔定律,寻找新型的体系架构、新型的结构、新型的材料以及新的缩减尺寸的方法,以及采用最先进的封装技术。

半导体行业的关键因素包括了性能、功耗、上市时间、所占面积等。优化衬底是突破限制和挑战的方法之一,通过从晶圆“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举办媒体交流会。Soitec全球战略负责人Thomas Piliszczuk、Soitec首席运营官兼全球业务部主管Bernard Aspar、Soitec全球销售主管Calvin Chen、Soitec中国区战略发展总监张万鹏分享了Soitec的2021年计划,并重点讲述了5G的到来为公司带来的新机遇以及 Soitec在硅基及第三代半导体材料的布局。

5G、AI、能源驱动超级市场

对于半导体行业以及整个电子产品领域而言,5G、人工智能以及高效节能是最近十年的主要驱动趋势。优化衬底作为半导体生态系统的重要组成部分,在这三种趋势中均扮演着关键角色。根据Soitec每年更新的优化衬底最新进展数据显示,行业对衬底的芯片设计需求日益凸显,主要应用领域的采纳率也在逐年提升。Thomas Piliszczuk介绍说:“优化衬底和消费电子应用方面的联系从未像现在这样密切、强大。”

据Soitec预测,在多个市场的共同驱动下,2020-2030年这十年间,半导体市场增长将是超过翻番的增长趋势。其中5G、人工智能、能源效率将是主要的驱动力。这三大趋势支持着很多市场的发展,包括智能手机、汽车、物联网、云、基础设施等。

关于5G,目前预计2021年5G手机的出货量是逾5亿台。同时5G又是个全球性的平台,可以集成和带来各类创新产品,涉及各类的电子细分市场。
关于人工智能,特别是边缘AI正成为行业内非常重要的趋势,它强力驱动着行业的增长。目前行业也有这样的展望:今年起将有数十亿具备AI能力的设备面市。
关于能源效率,电动汽车是一个重要的市场垂直领域,并且是个重大的趋势。目前的预期是到2025年市场上要达到2000万的电动汽车。最终,在除了电动汽车之外,提高能效的需求也将在各种其它的应用中体现,例如工业应用、太阳能、绿色能源或其它基础设施中。
5G需要怎样的衬底技术?

5G是优化衬底目前需求增长最大的市场之一。从移动互联到万物互联,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。而5G技术的基础与核心正是优化衬底,随着5G的到来,对优化衬底的要求越来越高。
在过去,对新的标准进行验证和引入大约都需要10年的时间。5G在未来的10年也将继续催生新的产品和技术路线图。这些技术的演进和发展也会催生更多的对优化衬底的需求,例如在5G智能手机方面的需求,为Soitec创造更多的机会。
RF-SOI、FD-SOI、POI在智能手机的应用趋势

Soitec预测了RF-SOI、FD-SOI、POI产品在不同代际的手机中的应用面积。

RF-SOI:5G时代,射频前端模块的需求提高,为满足5G RF的严格要求,越来越多的芯片设计公司开始寻找新的材料和衬底。RF-SOI备受市场欢迎,在4G/5G市场中渗透率高达 100%。RF-SOI已经成为手机射频前端模块的标准,这就包括了开关、天线、调节器、低噪、放大器以及Sub-6GHz的应用。

具体看,在Sub-6GHz的应用中,RF-SOI的采用面积在5G手机中的含量比4G手机中的含量高了60%,而同时又比中等的手机当中的含量高了100%。此外,RF-SOI在毫米波以及Wi-Fi 6领域的增长正在加快,RF-SOI设计主要被应用于室内无线网络接入点(网络基础设施)。Soitec制定了涵盖高端和低端细分市场的产品线路图,更为智能手机射频前端模块制定标准。在蜂窝方面,可提供射频开关、低噪声放大器、天线调谐器的主流解决方案,在互连方面,可提供包括功率放大器在内的 RFFE Wi-Fi 6解决方案。

FD-SOI:FD-SOI的增长驱动因素主要是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。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,带动了一系列FD-SOI的应用。比如:
具有成本效益的(毫米波)集成无线电, Wi-Fi 6 和雷达

节能的模拟/混合信号解决方案(数据转换器)

搭载eMRAM内存的高效计算型汽车

用于Sub-THz 设计的下一代Soitec 解决方案

FD-SOI的发展非常快,各个代工厂也在进一步地开发新的技术节点,如18纳米和12纳米。由于5G、边缘计算、汽车电子的需求, FD-SOI 晶圆需求反弹设计公司推出基于 FD-SOI的增强型产品。新近市场上FD-SOI各大公司纷纷都有新的喜讯,其中也包括Soitec的CrossLink。
莱迪思的CrossLinkFPGA平台获得“EM Best-in-Industry”奖项

意法半导体发布StellarMCU平台

格芯发布 22FDX RF+,升级射频性能

22FDX中的双模蓝牙 IP可降低 50% 的功耗,可用于无线立体声音响/助听器应用中

Samsung Foundry Forum (SAFE) 将 FD-SOI + eMRAM作为主推产品

POI:5G用于Sub-6GHz的技术在驱动新的产品滤波器的需求,需要更大的带宽、更低的损耗、出色的温度稳定性、以及有效的排斥。POI衬底是射频滤波器理想的选择。对于声表波滤波器市场而言,POI可以助力声表波的滤波器服务好Sub-6HGz市场。

在射频滤波器领域,Soitec主要是提供POI产品。这一产品目前正在生产中,并且产能正在提升。其法国工厂产能正在继续扩增,预计年生产能力可达到50万片晶圆。同时在150毫米POI衬底方面也在爬坡量产,产能准备扩张到50万片每年。在产业合作方面,Soitec已经与行业内的很多大公司签订了协议,包括与高通公司的协议,帮它们开发产品用于4G、5G、滤波器等产品中。

电动汽车急需晶圆优化衬底

电动汽车在世界范围内都是一个主流趋势,当然在中国更是如此。据2020 IHS Markit市场研究数据, Soitec预测,2026年5G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,2030年L3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。受汽车大趋势驱动,电子系统在整车 BOM中占比逐渐上升,自2019年至目前车型对比增加28%~44%。

汽车行业的关键趋势及数据

汽车行业也是急需晶圆优化衬底的行业之一。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。2019年Soitec在Power-SOI、FD-SOI、RF-SOI总应用面积达到150m㎡;2020-2022年POI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㎡。

汽车中的Soitec“含量”

虽然2020年,汽车市场整体表现比较疲软,但Soitec预测,在接下来的一年,汽车市场将会迎来比较显著的增长。尤其中国市场,很多品牌均开始在电动汽车领域进行投入,并加强国内供应链的能力,以便能够设计和制造电动汽车所需的所有零部件。

Soitec在汽车市场的应用量与新机遇

Soitec衬底技术在不同行业的应用

Soitec目前拥有四项核心技术包括Smart Cut(智能剥离技术)、Smart Stacking(智能堆叠技术)、Epitaxy(薄膜沉积技术)、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 首席运营官兼全球业务部主管Bernard AsparBernardAspar表示,正因Soitec拥有不同技术,所以才能生产多种优化衬底。

丰富的优化衬底产品组合

从3G到5G以及到Sub-6GHz及毫米波的过程中,Soitec优化衬底产品的应用面积的增长非常可观。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。面向5G,可提供RF-SOI、FD-SOI、Power-SOI、Photonics-SOI、Imager-SOI;面向汽车领域,有FD-SOI产品、Power-SOI产品,同时还提供用于成像与传感领域的Imager-SOI。除了SOI以外还有新的产品,比如压电优化衬底是在绝缘层上加压电材料的优化衬底POI,它可用于滤波器方面;另外还有基于硅基的氮化镓产品,可以用于5G和汽车领域。

优化衬底的无限可能

值得一提的是,Soitec在全球范围经营多家工厂。在法国,Soitec拥有三家正在全马力、全产线投入SOI生产的工厂,同时POI产品的产能也在逐步扩大。在新加坡,Soitec建设了300mm SOI晶圆制造工厂,旨在扩大其全球产能。而且在中国,Soitec与新傲科技达成协作,在上海扩产200mm SOI晶圆,目前新傲科技正在努力扩大产能。同时Soitec也在考量未来几年的市场需求,有必要的话会提前对产能部署作出安排。

Soitec非常高兴看到目前增长迅速的市场需求和全新机遇。Soitec预计2022财年的年营收是9亿美元。5G、汽车市场、边缘计算将是主要的驱动力。汽车市场已经正在快速地反弹,边缘计算以及相关领域也是特别重要。Soitec将会抓住5G、AI、能效这三个主要的大趋势,我们进行了精准的定位,为这些行业大趋势提供了亟需的优化衬底产品。

Soitec的中国市场计划

中国一直是Soitec最重要的市场之一。1992年公司成立至今,Soitec一直与大学研究机构,包括业界最领先材料公司、设备公司、设计公司及系统公司进行合作,为手机行业、汽车行业服务。与此同时建设在中国的行业生态,不仅仅是在此前提及的5G、AIoT以及电动汽车领域,同时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。

受汽车大趋势驱动,电子系统在整车BOM中占比上升

电动汽车在世界范围内都是一个主流趋势,当然在中国更是如此。Soitec认为,中国市场对Soitec碳化硅产品有着巨大的需求。目前Soitec已与中国多家公司,包括设备厂商与汽车品牌,进行碳化硅领域的评估与合作。

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。对我们来说,我们也希望能够利用中国的发展,新基建、电动汽车等不同行业的发展,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。”

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