成本不是痛點 寬能隙元件搭上EV順風車

作者 : Anthea Chuang, EE Times Taiwan

若是從整體系統尺寸,以及製程技術的進展來看,以電動車動力系統為例,導入SiC的系統成本反而將比IGBT低2000美元左右…

一直以來,寬能隙半導體元件由於相較於矽基元件製程技術「年紀較輕」,並仍有些製程技術與良率…等問題待克服,因此成本較一般矽基元件高,以至於在某些應用領域中,普及度仍有待加強。不過,碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)這些寬能隙元件,受惠於在高頻環境能夠維持高效能的特性,以及高可靠性…等優勢,仍然在消費性電子、工業、再生能源與電動車(EV)領域,受到青睞。其中,電動車將是帶動寬能隙元件整體市場規模不斷擴張的主要應用市場。

意法半導體(STMicroelectronics)亞太區功率離散和類比產品元件部區域行銷和應用副總裁Francesco Muggeri表示,從許多市調機構所做的調查顯示,SiC成本比IGBT還要高出許多,但是若是從整體系統尺寸,以及製程技術的進展來看,意法半導體認為,SiC的成本架構不能單就元件本身來探討。因此,以電動車動力系統為例,導入SiC的系統成本反而將比IGBT低2000美元左右。

製程技術成後盾

以目前的製程技術來看,業界專家大多認為相較於矽元件,寬能隙元件的開發歷史相對短得多,也因此,SiC的晶圓則會有較高的成本,且基板密度程度的缺陷還有很大的改善空間。即使GaN技術主要是以矽晶圓做為基底,較容易在大尺寸的晶圓做生產,長期來說會有成本優勢,但SiC和GaN仍存在著在閘氧化層(gate oxide)品質上有常見的可靠度,和臨界電壓(Vth)的不穩定問題。

不僅如此,對於高功率元件而言,磊晶層是必要的結構,但現階段尚未出現價格競爭力的好品質磊晶片,在在都是導致SiC與GaN元件成本較傳統矽元件高的原因。然而,SiC和GaN的製程技術穩定度在持續最佳化中,將可望改善其成本結構和良率。

意法半導體汽車和離散元件產品部大眾市場業務拓展負責人Giovanni Luca Sarica指出,目前生產SiC的晶圓多為6吋,意法半導體透過併購Norstel所取得的晶圓技術,不僅使意法半導體完成寬能隙元件製造的垂直整合,還可望實現下一階段目標:將SiC元件製造由目前的6吋轉移至8吋晶圓;再加上,意法半導體具備的材料研發、生產管理環境與測試元件的能量,不但可以在生產初期,解決寬能隙半導體材料將面臨的問題,保證產品的可靠性,還可進一步提升SiC元件的效率,促使SiC元件能夠更受市場關注,而在導入規模變大之後,SiC元件的成本勢必會開始下降。

不僅如此,SiC除可在高頻工作的特性可提升整體電動車的能源效率外,也可以減少被動元件,進一步縮小佔電動車成本大宗的電源模組尺寸。另外,汽車產業也注意到,採用SiC元件對電動車帶來的新優勢,例如為電動車電池組延長續航力,提升行駛里程,為駕駛與乘客創造更多新體驗。因此,從整體來看,在電動車動力系統中導入SiC,較具成本優勢,這也是中高階電動車開始使用SiC相關元件的主要因素。Sarica認為,未來,若是電動車的市佔率持續攀升,使用的SiC的元件也會越來越多,將推動出貨量大等同成本續降「定律」發生。

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SiC MOSFET在牽引逆變器的優勢,以及在電動車製造中使用SiC元件可能減少的成本。(資料來源:意法半導體)

Muggeri補充,雖然目前SiC技術發展仍屬早期階段,但SiC各項特性都遠超過IGBT,勢必促使電動車持續使用SiC元件。因此,長期來看,SiC成本將持續下探,惟仍需一段時間。

至於GaN,Sarica表示,GaN將以低壓應用為主流,包括輕混合動力車的48V/12V直流轉換器、LiDAR、D類放大器/無線充電器,以及車載充電器、電源等。目前電動車市場仍以SiC導入的速度較快,GaN則是後勢看俏。根據IHS統計,預計2018~2025年,SiC在電動車市場的年複合成長率將達52%;GaN的年複合成長率則將高達200%以上。

而看好WBG元件的發展前景,意法半導體不斷投資更多資源進行研發,並投資新廠擴大自有產能,更與半導體產業界關鍵廠商合作,如TSMC,加速將GaN元件導入市場;並透過取得EXAGAN取得多數股權,建立開發和磊晶專業知識、生態系統與新業務。在SiC則是利用意法半導體20多年累積的研發經驗,以及併購,全面掌握SiC全部及技術,藉以成為全球第一大車規SiC供應商,並希望能在2025年前爭取超過30%的市佔率。

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