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保守看待萌芽期砷化镓产业
 

【作者: 周樹偉】2001年02月01日 星期四

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今(2000)年上半年以来,由于资本市场蓬勃发展,使国内多余的资金不断寻找新的高科技产业,以期及早切入市场,并作多角化及转投资布局准备。自从博达及全新在砷化镓(GaAs)磊晶圆崭露头角后,便掀起一股无线通讯热;陆续有许多上市公司及集团,看好手机市场的发展,投资砷化镓产业。


但是,近期讯息显示,产业状况恐不如预期乐观。通讯晶片大厂科胜讯(Conexant)表示,对明年电脑通讯景气持保守看法,乐观状况为明年下半年景气始回温,明年与今年持平且委外下单量可能与今年相当。另原先统一、宝成及仁宝集团投入6吋砷化镓代工之大统合半导体公司,亦将暂停公司的营运,若照此情况推衍,则产业投资将修正或降低资本支出,增加砷化镓公司筹资及建厂的困难度。


再者,砷化镓现在多数应用高频领域,市场广泛度不似矽产业。砷化镓现阶段最大、也成长最快的应用则是行动电话;而今年下半年手机市场需求不振,因此令人好奇的是台湾这么积极地投入磊晶圆及代工厂,是否会造成供过于求,或者产品价格在低价手机逐渐成为趋势后,业者的获利是否被压缩?


本文将就此产业现况及未来的市场成长条件作评析,来探讨需求是否仍可乐观预期,或者该用较保守心态看待,至于产业技术发展状况,本文则不多作深入探讨。


砷化镓产业结构逐渐成型

(图一)为砷化镓产业结构,整个砷化镓供应链与矽晶圆产业有相仿之处。我国厂商在无线通讯技术兴起后,从高频应用IC设计、中下游的封装与测试,再延伸至砷化镓之磊晶片之制造、代工。在IC制造及代工部分,国内厂商大举投入,希望延续国内在矽晶圆产业的优异表现;在封装及测试部分,一向为国内半导体产业最具优势的部分,国内介入厂商也较多,但实际成果目前仍有限。


《图一 》
《图一 》

在砷化镓供应链中,相对获利状况较佳,且具竞争力之国际策略合作厂商,则是在射频模组(RF Module)方面,包括上市公司之环隆、国碁以及准上柜公司同欣电子等。其中,国碁及同欣均为功率放大器(PA)大厂的模组代工厂,竞争力不容取代,未来仍相当看好国外大厂来国内下单的趋势。


然而,短期内产业成长性仍可能因手机需求不如预期而受到影响。例如近期承接全球前10大RF IC大厂Conexant功率放大器模组订单的国碁、同欣,因科胜讯制程转换及下游订单在消化库存后并未见回流影响下,暂停或减少对国碁及同欣的下单;另同欣两个重要客户三星及飞利浦的下单量减少,都将影响此产业在短期内的成长。


在IC设计方面,射频IC设计需考虑系统规格和制程参数,技术的难度相当高。国内投入砷化镓设计公司包括和康联邦国际、大纮、汉威、全讯、和茂及聿勤等,目前在RF IC设计已陆续有产品推出,但市场性及实际获利则还在起步状况。主要是由于国内厂商没有机会参与产品规格制定,设计上需仰赖与国际大厂的合作;但与国内手机制造厂合作,及短距离无线传输市场,则是我国设计公司有机会切入的市场。国外大厂则是以WCDMA规格制定的Qualcomm为主,而RFMD则是与其合作的砷化镓IDM大厂,两者均名列全球前10大的RF IC大厂。


砷化镓应用范围

砷化镓应用在频率超过1GHz以上的无线传输,其大部分都必须使用砷化镓作为射频晶片模组。砷化镓高频传输的优异特性,得以被应用在行动通讯与短距无线区域网路(WLAN、Bluetooth),乃至于光纤通讯、卫星通讯、点对点微波通讯、卫星直播、有线电视、数位电视应用、汽车导航系统、汽车防撞系统及光电元件LED元件等应用。


手机为最大商业应用市场

功率放大器一直是无线手机的关键元件,影响通话时间与电池寿命的长短。科胜讯为功率放大器运用砷化镓异质双极电晶体(HBT)之领导厂商。在行动电话当中,最重要的晶片就是射频(Radio Frequency)与基频(Base)的模组。以手机市场来看,一只手机约需使用2~3颗功率放大器,目前多采用砷化镓化合物半导体制成;而以矽制成的功率放大器则多用于通讯频率1GHz以下的产品。


此外,功率放大器目前也可分为模组化(PA Module)及微波晶体电路元件(MMIC)两种形式,其中日系业者多生产模组化的功率放大器,而其余业者则多偏向于生产MMIC的功率放大器为主。


在产量及产值上,目前砷化镓制成的功率放大器模组需求量最大。 2000年预估全球约有3.1亿颗的需求,产值可达458亿日圆;至2004年产量及产值将成长至7.2亿颗及765亿日圆,复合成长率达23.5%。值得注意的是,MMIC的功率放大器今年产量及产值上均低于矽制成的功率放大器。


至2004年,MMIC需求量将可达2.5亿颗,并将超过矽制成的功率放大器1.9亿颗的需求量。目前功率放大器应用在GSM系统的使用量比例最高,约占60%;而CDMA则占21.3%。未来功率放大器所占的市场,也将视GSM与CDMA的市场发展而定。


在主要供应商方面,以RF MD供应量最大,约占市场22.3%;目前并致力于发展各项高频通讯用的半导体产品,在功率放大器上也正由其合作业者TRW公司整顿增产计画。而目前功率放大器市场占有率约9.2%的科胜讯,以发展砷化镓HBT产品为主,目前除在GSM市场持续扩充外,在CDMA市场开发上也相当积极。由于未来功率放大器将持续朝高效率化、低耗电化及小型化的趋势发展,国内在成为手机代工重镇趋势下,未来功率放大器在台代工设计的机会也将提高。


Si产业的应用取代及价格威胁

RF CMOS、矽化锗(SiGe)等技术,在未来可能带给砷化镓市场部分应用市场的威胁。主要是这些技术在某种程度上,是针对与砷化镓不同操作频率及特性需求的市场,例如CMOS在非常低耗能、中等速度与大规模整合的应用非常适宜,可用于数百MHz的RF IC与IF低功率应用。


矽锗技术比较像是矽技术的改良,具有矽技术低耗电、低成本、大尺寸晶圆及与CMOS数位基频大规模整合的趋势。但矽锗无法与砷化镓在低杂讯特性、在高功率时的高效率以及在高频带应用上竞争,因此,三种技术上各有其价格及应用上优势。


在矽化锗研发成果方面,矽制造领导大厂IBM掌握大部分矽化锗材料技术,并逐渐解决频率及效率限制。就技术发展的趋势,目前SiGe已应用在10GHz以下的产品,但生产成本仍高,技术亦尚未完成商业化,RF产品应用程度仍低。 Si技术之BiCMOS制程,较不被看好在高频的应用,但近期Fujitsu德国分公司宣布推出30GHz,0.2u制程的BiCMOS RF技术来生产无线通讯产品,将可比目前市面的BiCMOS IC效能提升两倍。


Fujitsu表示用到0.2u的制程,是利用了新的Trench技术,将可降低Crosstalk、提升高频效能,并准备提供3G手机的低功率元件需求。可以预见的是,未来取代砷化镓部分市场,应只是时间及成本上问题。在价格方面,砷化镓在价格上受其它二者的影响,价格将持续下滑,在功率放大器Module及MMIC价格上也是下滑的趋势,在Si方面则成本仍高,价格预期持平。


需成熟制造代工供应链配合

国内投入砷化镓设计公司包括和康联邦国际、大纮、汉威、全讯、和茂及聿勤等。设计公司相较于IDM公司的优势,在于晶圆代工厂与对于元件选择的弹性。虽垂直整合式的系统公司通常局限在某些特定的元件上,因为系统公司或许仅仅在此些领域具有专业,若为抓住市场时机,而要开发其他技术与元件的话,往往需付出高额成本,并且况日费时。


从设计公司的观点,设计公司经由对不同主动元件的了解,可由某一特定应用,评估能以低成本达到性能需求的最适宜的元件。微波电路设计虽可被应用至不同的元件上,而微波设计公司的专业将不仅是利用微波设计软体,来达到设计目的。微波设计人才必须是元件物理、元件设计、元件制造技术、微波电路设计以及低成本制造、封装、测试的专家;相较于已成熟的矽产业完整元件资料库(IP)及设计组件,国内砷化镓元件资料库亟待代工厂与设计公司共同建立,短期内合作生产的契合度仍待考验。


国内磊晶圆及代工具制造优势

相较于矽产业,砷化镓则相当注重磊晶长成的程序;在制造困难度方面,磊晶的长成有三种方式:MBE、MOCVD、LPE等,之间的差异性不在此赘述。国内厂商多前二者方式,目前国内砷化镓磊晶厂4吋比重最高,3吋及6吋比重并不高。


在制造的困难度方面,磊晶圆长成过程之生产线员工需求不多,系靠机台、制程参数的调控,每台设备都需要调整。因砷化镓并不属于标准品,且磊晶厂商须依照IDM或Foundry晶圆代工厂客户要求,以不同产品规格及结构来设定参数及长晶,即便是同一家设备厂商及机型,只要生产机台转换,生产参数都需要再调整一次。砷化镓的磊晶属剧毒性制程,基于环保,国际大厂所供给的产量亦有限;此外,晶片本身基于散热因素,厚度相当薄,制造上极易破损而降低生产良率,其它制造变数还包括机台制程参数的调控需随时调控等,生产困难度较矽晶圆增加许多。


虽有成本优势,但进入障碍高

在制造成本优势方面,国内的人力成本及法令对高科技设备的免税待遇或投资抵减,让台湾磊晶厂商拥有成本上的优势,国外大厂Kopin99年磊晶产品毛利达32%,但扣除管销等营运成本之后,本业仍是亏损,但国内厂商博达今年毛利率根据预估达47.8%,已开始获利,故国内在此方面的仍具成本优势。在客户关系方面,由于需求不多,且产品品质要求严苛,客户产品认证的时间也较长,故厂商不会轻易因价格因素而随便更换供应商,因此与客户关系一旦建立,就有长久维持的机会。


在进入障碍方面,由于产品系应用在高频环境下,元件的杂讯干扰程度尤其重要。因此,即使经过控制良好后续晶圆生产制程,磊晶品质仍将直接影响到最终元件的特性,因此未来量产技术障碍仍高。领先厂商在技术较为成熟情况下,大者恒大的趋势将使新进厂商不易跨过门槛。


博达、全新光电为国内较早投入砷化镓磊晶圆之厂商,与客户关系系经过3年的长期努力才真正接获大厂订单。以博达公布之公司毛利率在50%左右,相信上游磊晶圆市场即使价格下滑快速,仍有充裕获利空间。不过产能提升速度并不如公司原先预估,加上公司已在此领域耕耘多年才得到稳定订单来源,未来营收与产能将逐渐增加。


在国外竞争者方面,国外最大竞争者则为提供手机功率放大器磊晶圆予Conexant,近期并来台寻觅建厂的美商Kopin。 Kopin主要着眼台湾的成本优势,也可就近支援可能的国内客户。而其他美系竞争者则包含QED、TRW,日系方面则为住友化学、Hitachi Cable、Furukawa、ASEC等;法国则为Picogiga及英国的EPI。


前置期冗长,获利不易

采购前置期因全球厂商相继投入,故若试产包含客户认证时间,则时间将长达2Q~10Q;砷化镓磊晶圆至量产前置期所需时间总计达5Q~14Q,长达1年以上的时间,对新进入的磊晶业者资金及获利时点均造成压力。不过若从验证​​时间的拉长,及旧有业者配合客户的状况,新进者并不易切入。


再者,若以博达公布的毛利率来看,即使4吋磊晶圆平均单价由目前622美元/片,下滑25%至467美元/片,在人工、折旧及材料成本不变下,则毛利率将由47.8%下滑至30.1%,毛利率并不低。因此,旧有业者获利仍丰,但博达在砷化镓长期投入后,才在今年进入收成阶段,若新进业者在今年下半年投入,则最快明年底年才得进入量产阶段,预期至后年才会有损益平衡机会,在可能供过于求的供需变数下对新进者的技术及资金来源将是一大考验。


整体而言,国内砷化镓磊晶圆产业优势在于建立量产技术能力,持续降低成本。但国外竞争者相较,除了低成本外,在高频应用的砷化镓技术品质要求则是远高于矽产业,因此,生产与品质管理仍是需要时间来加强,尤其在上游材料上之化合物半导体方面。国内台湾的整体制造能力与人力资源虽具优势,所擅长的是降低成本,但生产品质方面则需要时间改善,尤其对新进者而言,客户对产品的接受度将又是另一项考验。


砷化镓代工需求保守看待

目前国内投入砷化镓代工,且已经有具体生产设备采购的公司为位于竹科的汉威、南科的宏捷、林口华亚园区的稳懋及位于新竹的全球联合通信。此外,明碁与博达投资的尚达、华宇转投资的华京、联电投资的联旭、中国电器投资的中威光电、南科的全讯尖端等,也积极投入。


砷化镓制造人才借将矽晶圆厂

在人才方面,因具有直接相关量产技术及经验,甚至曾经在国外大厂任职的人才,目前是严重不足。砷化镓产业的生产流程与矽晶圆厂的制程类似,因此砷化镓代工厂对于专业量产经验的人才需求可来自矽晶圆厂。毕竟,新产业升迁与释股机会的考量,对​​跃跃一试的竹科人才,还是较具有吸引力。不过在人员技术依赖度上却比起矽晶圆厂更高。因此,由具有国外大厂量产经验领导阶层,来带领及训练从矽晶圆厂延揽的人才,成为目前产业的普遍现象。


但砷化镓产业的专业知识与矽不同,实际量产经验的累积与成熟才是成功与否的关键,否则可能就像TFT-LCD产业向矽晶圆厂挖角后,量产仍不顺;以及设计公司成立自有晶​​圆厂虽有地利及人和之便,但良率仍迟迟难以提升的状况产生。


砷化镓代工产能控制在IDM大厂

砷化镓应用主要无线手机通讯市场及电信局端市场,在手机方面,所需之功率放大器元件更是砷化镓元件最大需求市场,因此手机市场供需状况将左右国内砷化镓产业发展。但是,随着手机的需求减缓,是否砷化镓代工需求仍能维持先前乐观看法则需加以探讨。


砷化镓产业如同矽晶圆产业之代工产能,均来自于国外IDM大厂及IC设计公司。砷化镓主要应用市场,例如功率放大器,均控制于RFMD、Conexant、日立及松下等四大厂手中(图二)。因此,当目前手机市场受换机速度不如预期等因素影响,使手机出货不如预期,导致砷化镓需求减缓。


《图二 》
《图二 》

加上生产手机关键零组件功率放大器IDM厂扩厂动作持续进行,IN-HOUSE产能足够生产市场所需之功率放大器时,则单纯因成本因素的释出代工订单将有限,国内代工厂商仍将受制于国外大厂代工的速度。因为通讯产品,尤其是手机市场,国内厂商完全没有参与先进制定规格的机会,而这些通讯上的核心技术都完全掌握在RFMD及Conexant等国际手机大厂的手里。


目前国内厂商除宏捷4吋产能已开出外,其它如稳懋、全球联合、尚达及华京等在2002年才会大量6吋产能开出,供需不平衡的状况将使原本的获利不易的预期更蒙上阴影。即使不考虑产能供需,订单来源及产品认证的问题,对于专业代工厂而言,亦将延长损益平衡的时点。但国内厂商选择与国内低价手机制造厂商的策略合作,包括明碁与博达、三菱合资的尚达;上游有博达提供磊晶片,下游则有明碁代工手机的组装制造功率放大器需求,产能供给可能较有保障。不过,若成本及品质未如预期,注重成本的下游手机代工厂仍是倾向对外采购。


整体而言,包括科胜讯、RFMD与Anadigics等IDM公司预期市场需求量可能持平成长,加上砷化镓晶圆专业制造厂的品质及可靠性还未达到标准时,国内专业晶圆制造厂虽有降低功率放大器模组等产品的生产成本的潜力及优势,但如在目前寄望IDM厂商的订单,可能在2002年正式量产后,委外代工订单仍有限。


供过于求之虑

根据科胜讯预估,科胜讯及RFMD目前每月产能各约4千片4吋砷化镓晶圆,加上夏普TriQuint等中小型厂商,每月合计约1.5万片4吋产​​能。今年全球产能大约在30万片的水准,正好达到供需平衡。若以此反推,则以设备利用率90%,良率75%,每条线月产能500片计算,则全球(不包含国内)约有50条生产线。加上台湾新进业者,今年底全新7条及博达9条来计算,全球磊晶圆生产线数66条以上。明年以每条生产线生产量以设备利用率90%,良率75%计算,每条月产能506片计算,则全年产能供给达42.77万片。


若今年以手机市场4亿支计算,则明年手机需求必须在5.6亿支,成长率约40%。相对于代工产能需求量在约42万片,才会正好达到供需平衡。但以上产能供给预估还不包括6吋产能与4吋产能差距,及全新与博达明年机台扩充一倍所增产能。因此在手机需求不振及国内业者扩充的速度来看,磊晶圆恐怕会有供过于求之虑。预期砷化镓晶圆价格变化,明年4吋晶圆价格将较今年下滑近30%(图三)。


《图三 》
《图三 》

在代工厂方面,国内厂商目前只有宏捷有4吋晶圆实质产出。依各代工厂产能规划,预期至2002年方有大量产出,若假设国外大厂目前产能30万片,且在未来三年皆未扩充产能,则至2001~2002年未来二年的实质代工产能需求,应维持在33%成长才能满足产能的供给。若考虑2003年国内厂商的大量产出、国外大厂的持续扩充,以及手机市场的成长疑虑,则产能供过于求的机率应是相当大。


结论与展望

根据Strategies Unlimited的预测,砷化镓晶片的市场规模将于西元2005年达到25亿美元,成长率为30%。 Dataquest则预测2004年会达到35亿美元,而IC Insights更乐观的预测,为其市场规模在2004年会达到约49亿美元。


即使目前产业还未成熟,国内厂商在寻求积极转型的用心实在值得肯定。但国内厂商一窝蜂的投资习性,纷纷投入光纤通讯市场之DWDM产品;以及本文提到之砷化镓制造代工产业,深怕太晚进入而失去先机。虽目前都才刚起步,应有部分厂商具有切入机会;但实际状况则是资金取得日益严峻,以及相关技术及人才的困乏,将使得才将踏入厂商因短时间获利不易而退出市场,或是延缓投资速度。因此,投资者应保守看待此一新兴产业链,未来须留意厂商在资金、技术、人才及市场之取得,以及市场预期可能过度乐观及恶性竞争等。


从供需的角度来看,国内磊晶圆及代工厂的前景可说是充满变数,除非其它新的应用需求如光纤及手机有超出预期的成长;或者新厂扩厂规划是以协助客户开发新的产品与市场,而增加新的需求,并以客户需求为依据。否则过于积极的扩厂,将难免又落入过度投资的窠臼。


(本文作者任职于台证证券投顾)


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