从LDMOS转到氮化镓的时间窗口只有三年

“现在正处于从LDMOS转到氮化镓的时间窗口，但只有三年。”能讯半导体总经理任勉表示，在氮化镓领域耕耘十二年，能讯半导体迎来关键时间节点，抓住5G基站建设机会，就可以在竞争中占据有利位置。

当前基站与无线回传系统中使用的大功率射频器件（功率大于3瓦），主要有基于三种材料生产的器件，即传统的LDMOS（横向扩散MOS）、砷化镓（GaAs），以及新兴的氮化镓（GaN）。市场调研机构Yole（Yole Developpement）的2017年7月的报告预测，未来5到10年，砷化镓在大功率射频器件市场上所占比例基本维持稳定，但LDMOS与氮化镓将呈现出此消彼长的关系。2025年，LDMOS占比将由现在的40%左右下降到15%，而氮化镓将超越LDMOS和砷化镓，成为大功率射频器件的主导工艺，占比到2025年可达45%左右。2019年至2021年为5G基础设施建设的关键期，也将是氮化镓器件替换LDMOS的关键期。

GaN与LDMOS未来趋势

数据来源:Yole

为何氮化镓会取代LDMOS？

氮化镓是宽禁带工艺，其禁带宽度（3.4eV）是普通硅（1.1eV）的3倍，击穿电场是硅材料的10倍，功率密度高，可以提供更高的工作频率、更大的带宽、更高的效率，可工作环境温度也更高。由于成本优势，LDMOS在低频仍有生存空间，但氮化镓已经在向低频渗透，例如在2.6GHz频段，也开始出现氮化镓方案。

“按照业界理解，3.5GHz是一个分水岭，3.5GHz及以上频率，氮化镓工艺有全面的优势，无论是带宽、线性度、增益还是效率，硅器件都无法与氮化镓竞争，”任勉分析道，由于工艺输出功率特性限制，LDMOS在3.5GHz及以上频率不能提供足够大的功率，所以从3.5GHz到未来的毫米波，高频应用中氮化镓不是去替代LDMOS，而是开辟全新的市场空间，“往高频走，氮化镓是必然的选择，因为需要更大的带宽，更好的线性度，将来走MIMO（多入多出）方案，一台基站里面就要用几百个PA（功率放大器），5G和高频化应用，让氮化镓大有用武之地。以前大家觉得射频器件只是一 两百亿（美元）的市场，规模不大，但5G时代不是，5G有小基站，基站部署数量将呈指数形式增长，所以5G时代，射频器件产业将比以往大得多。”任勉认为，近年来的氮化镓投资热潮，即来自于对这一趋势的认同。

成本曾是氮化镓取代LDMOS的最大障碍，如今这一障碍正在逐渐消失。氮化镓工艺常用衬底有两种，一种是用硅材料，一种是用碳化硅材料。除了MACOM，主流氮化镓器件公司都采用碳化硅衬底，基于碳化硅衬底的氮化镓器件比硅衬底氮化镓器件性能更好，良率更高，更能体现氮化镓材料优势，但碳化硅衬底成本更高。

能讯半导体生产的氮化镓器件

及参考设计

不过衬底成本正在伴随制造工艺的进步而快速下降，大尺寸衬底均摊成本更低。据任勉介绍，采用6英寸碳化硅衬底制造出的器件，衬底成本占整个器件成本比例已经不到10%。“氮化镓主要用金属陶瓷封装，封装成本占到整个器件成本的三分之一到一半，这是很可怕的成本，所以业界在拼命努力开发各种降低成本的封装方式，”任勉表示，封装的成本更值得关注，业界已经在尝试纯铜、塑封、空腔塑封等形式来替代金属陶瓷封装，但由于金属陶瓷封装在性能、散热与可靠性上的优势，仍然是氮化镓器件的首选封装。

为何氮化镓产业更适合IDM模式？

氮化镓封装成本高，建设封装产线的投入也很大，据任勉估算，100万支产能的金属陶瓷封装线，仅设备投入就要六七千万元，但能讯还是自建了封装线，这样可以保证产品一致性，也符合通讯设备商对其关键元器件供应商的在产品质量方面的要求。

事实上，从材料衬底外延、芯片制造，到最终的封装测试，三大制造环节能讯全部都做，即所谓的整合元件制造商（IDM）模式。“材料结构与工艺密切相关，而工艺又决定了产品最终的电学性能，材料、设计、制造与封测一体相关，所以氮化镓行业基本以IDM为主导，设计公司暂时还不太有市场。”任勉告诉TechSugar，现阶段只有IDM模式最适合氮化镓产业。射频与功率器件集成度不高，设计变化不多，设计环节附加值较低，再加上现在氮化镓产业本身规模不大，因此设计业很难独立生存。

不过任勉也表示，高频率器件或毫米波等应用普及以后，随着市场规模增大，代工模式将有可生存的空间。

如前所述，因为材料、工艺与设计紧密结合是射频或功率器件竞争的主导性因素，所以全球成功的射频或功率器件公司，多数都采用IDM模式，IDM模式对产品全流程的管控能力更高，但所有产线都自己来建设，进入门槛很高。

能讯半导体厂房内部

除此之外，能讯在氮化镓电力电子领域进行了技术储备。能讯的“讯”代表通信，而“能”则代表能讯关注的另一个方向，即电力电子领域的功率应用。相比硅器件，氮化镓做功率器件也有诸多优势，但氮化镓在电力电子领域应用的技术路线现在尚未确定，所以在电力电子领域，能讯维持研发投入，目前尚无量产计划。

能讯半导体从成立到现在已经进行了三轮融资，总共投入约10亿人民币，其第一规模工厂（FAB1）位于苏州昆山高新区，工厂占地55亩，厂房面积为18000平方米，经过第三轮5亿元融资后，现有产线改造扩容结束将具备年处理4英寸氮化镓晶圆5万片（约折合2000万支器件）的能力。如果氮化镓器件能在5G市场部署时如期爆发，能讯将会规划建设第二个工厂，第二工厂必然会建6英寸产线，届时投入将会是一厂的三倍以上。

为何现在进入氮化镓射频市场机会已经不大？

但在氮化镓领域，即便资金不是问题，也不意味着就能胜出，时间窗口至关重要。即使完全不考虑资金限制，从无到有建设一条能量产出货的氮化镓产线也需要五年左右时间。“从拿地开始算，做完厂区设计及建设，到可以进设备至少需要两年；从进设备到工艺走通实现量产，至少需要一年时间；产品可靠性稳定，至少一年时间；客户认证，一年左右时间，加起来就是五年。而且各阶段环环相扣，很难同步进行，”谈及产线建设，任勉如数家珍，“工艺调不通无法做可靠性，可靠性不稳定，不敢拿给客户做认证，这五年时间谁都省不掉。所以，能讯并不担心其他企业一拥而上做氮化镓，如果你现在刚开始做，等五年以后再谈与我们竞争。后来者一定要想清楚，自己真正的优势在哪里。”

能讯半导体厂貌

任勉强调，就芯片产品而言，只有解决可制造性、可靠性与可应用性，技术才能落地，在实验室做得很好的产品，到最终大规模量产被客户接受，要跨越的距离远超很多技术专家的想象。国内产业发展多见一窝蜂上的现象，但在半导体市场，不尊重行业规律盲目投资，很难获得想要的收益。

即使不考虑后来者，当前射频氮化镓市场厂商竞争也非常激烈，面对5G设备部署良机，住友、科锐、恩智浦、英飞凌、Qorvo等国外巨头再加上国内能讯、13所、55所等近十家厂商谁都不会退让。大家都加大投入赌这次机会，氮化镓排名前几的厂商，性能指标交替发展，“没有哪一家永远第一，厂商各领风骚一段时间，”任勉认为，乱世之争很可能在三年后结束，而且市场格局一旦建立，就很难打破。

任勉判断，未来氮化镓市场很有可能只有4-5家能生存下来，只有进入前三，才能获得较好的投资效益。拼到前三的方法，任勉总结为两点：技术领先与快速上规模。经过12年研发、产能建设与经验积累，能讯半导体已经开始出货给通信设备厂商，移动通信每一次更新换代，都是一次洗牌的机会，5G设备换代将是能讯半导体冲击世界品牌的最好机会，不容有失。

虽然多次强调危机感，但任勉对活下来显然也很有信心，他说：“在射频领域为中国半导体立一块品牌，是能讯的理想。”