特殊與主流製程代工有何不同?

作者 : 廖均,EDN China

特殊製程代工廠專注於小眾市場,提供特殊的技術來實現智慧應用。其技術的差異化是由技術的多樣化實現,比起主流半導體代工廠透過轉移到更小的技術節點來實現差異化,壓力要小得多。

多年前只有幾種特殊半導體製程技術,支援的應用有限。隨著特殊製程技術支援的應用越來越多,對它們的需求也不斷增長,特殊製程代工廠應運而生。那麼,特殊製程代工與主流製程代工有何區別?特殊製程代工如何適應新興的5G、物聯網(IoT)和人工智慧(AI)應用的發展?帶著一系列問題,《電子技術設計》中國版(EDN China,以下簡稱EDNC)專訪了德國特殊製程代工廠X-FAB CEO Rudi De Winter。

EDNC:特殊製程與主流製程有何區別?X-FAB提供哪些產品和業務?

Rudi De Winter:大約30年前,只有幾種的特殊半導體製程技術,例如CMOS和BiCMOS,支援的應用有限。現在這種情況已經發生了變化,隨著特殊製程技術支援的應用越來越多,對它們的需求也不斷成長,特殊製程代工廠應運而生。目前有兩類半導體代工廠,一類是主流代工廠,專注於數位技術,以滿足對記憶體、CPU和邏輯元件的代工需求,其目標是實現更小的功能尺寸及更高的運算能力。主流半導體代工廠的業務特點是資本密集度高、產品生命週期較短,因為他們是利用最新的技術節點實現差異化,今天已經縮小到7nm甚至更小。

另一類半導體製程代工廠是特殊製程代工廠,專注於小眾市場,提供特殊的技術來實現智慧應用。特殊製程技術的差異化是由技術的多樣化實現,例如利用這些技術來提供不同的功能,比起主流半導體代工廠透過轉移到更小的技術節點來實現差異化,壓力要小得多。這將有助於延長產品的生命週期,降低資本密集度,同時,這些複雜技術涉及不同的工程技術。

X-FAB是一家特殊製程代工廠。與大型數位晶片代工廠不同,X-FAB的重心在於類比/混合訊號和其他特殊技術,如微機電系統(MEMS)和碳化矽(SiC)技術,它們是為汽車、工業和醫療市場量身打造。實際上,X-FAB是專注於汽車產業的唯一一家純晶圓代工廠,汽車市場的銷售額約佔總收入的一半。

利用X-FAB的技術,一個晶片上可以整合多種功能,如高壓、類比/混合訊號、感測器和eFlash,同時能夠在高溫環境下正常工作。這種耐高壓和耐高溫性能完美地契合了汽車應用,作為一種補強,我們將碳化矽導入了純代工領域。

在MEMS和CMOS中,傳統代工廠只能提供其中一種,跟他們不同,X-FAB可提供MEMS與CMOS的整合。CMOS/MEMS整合使客戶能夠開發智慧晶片實驗室(lab on a chip)應用,這是一些包含微系統的微流控元件,用於處理微量液體,如血液,可進行高通量篩選和測試,如病毒檢測或DNA測序。

EDNC:摩爾定律是否適用於特殊製程代工廠? X-FAB如何應對半導體製程面臨的挑戰?

Rudi De Winter:摩爾定律指的是晶片上電晶體的數量每18~24個月則翻一倍,但這一定律並不適用於特殊製程代工廠。特殊代工廠與邏輯和記憶體不同,可為客戶提供所謂的「超越摩爾」(More than Moore)的價值。

與數位領域一樣,特殊製程代工廠也專注於使系統尺寸更小、效率更高,但實現的方法卻不同。它可以透過碳化矽和氮化鎵(GaN)這類新材料的應用,來推動矽基技術的極限;也可以透過在晶片上增加功能而不是使用多個晶片來實現系統性能的提升。所以,這不僅僅是使記憶體最小的問題。

正因如此,作為一家特殊製程代工廠,X-FAB的重點是利用增加功能或使用新材料來實現系統小型化,增強系統的整體性能。當然,我們也在向更小幾何尺寸的製程發展,但速度較領先代工廠會慢一些。X-FAB的優勢是能夠提供廣泛的技術特性,使用新材料碳化矽、MEMS、後處理功能,以及其他功能。

EDNC:針對新興的5G、物聯網和AI應用,代工廠需要開發哪些新技術來適應快速發展的半導體產業? X-FAB最重要的下一代技術是什麼?

Rudi De Winter:無論是5G、物聯網還是AI,它們都是複雜的系統,需要多種不同的技術才能實現。其中包含很多數位及特殊技術,特殊技術實現了相當有特色的應用,這是X-FAB提供支援的領域。這些技術彼此間互補,整個系統的性能也相互依賴,各個公司關注的重點不同,但一樣重要。

以5G和物聯網為例,它包括行動裝置和物聯網終端裝置、小型和大型5G基地台,以及將資料傳輸到交換站和伺服器的光纖網路。這無疑推動了摩爾定律,使數位技術實現了5nm甚至3nm。光纖通訊系統需要矽光子學技術,高速通訊也需要氮化鎵、砷化鎵(GaAs)和鍺矽等寬能隙材料。由於5G、物聯網和AI都是非常耗電的應用,因此需要高壓技術來進行高效的電源管理。

X-FAB利感測器和環境電子方面的專業知識,支援與感測、傳輸和驅動有關的應用。針對新興的5G應用,我們提供RF-SOI技術用於連接到天線的類比前端;針對物聯網應用,則提供嵌入感測器的低功率CMOS。

EDNC:X-FAB對在中國的發展有何規劃? 如何與中國本土的公司合作與競爭?

Rudi De Winter:中國正在大力投資發展半導體產業,目前有數千家無晶圓廠的純設計公司在開發積體電路。5G無疑是一個熱門應用,同時這些公司也在努力開發適用於各種市場的其他許多應用。我認為X-FAB在支持中國半導體發展方面處於有利地位,特別是在汽車和工業應用領域,因為我們在這一領域有著豐富的經驗累積。

X-FAB對全球市場充滿信心, 而中國是其中非常重要的一個區域。中國客戶對我們的興趣也越來越大,因此我們正在擴大在中國的業務。

EDNC:特殊製程代工和全球半導體產業的未來會如何發展?

Rudi De Winter:為了因應全球氣候變暖、人口增長和老齡化,各國大力宣導綠色經濟,半導體技術可以提供所需的解決方案。X-FAB提供了幫助解決這些難題的技術,例如,碳化矽、高壓CMOS和SOI技術支援汽車充電應用;在醫療領域,晶片實驗室解決方案將用於即時檢驗診斷。

未來對專業技術的需求還會進一步增長,也會更加多樣化,醫療產業就是一個很好的例子。我們不能簡單地為所有客戶提供單一的解決方案,因為這個市場具有高度的複雜性和客製化需求。例如,X-FAB與客戶進行協作,為CMOS平台開發新的特殊製程,以實現即時檢驗感測器。

最後,我想強調,市場對半導體的總體需求仍在持續成長,不只是元件數量不斷增加,每個元件的功能也在不斷提升。越來越多的產品性能因智慧化和嵌入式感測器而進一步增強,半導體製造技術也不斷應用在新興領域,如微流體系統。

總而言之,整個半導體產業,包括特殊半導體製程都在持續發展中。為了改善人們周圍的一切,它不會止步不前且至關重要。

本文原刊登於EDN China網站

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