電源領域新寵:WBG元件持續擴張市場版圖

作者 : Maurizio di Paolo Emilio,Power Electronics News & EEWeb主編

持續成長的功率半導體元件需求正推動WBG元件市場的成長,各家業者持續投資SiC與GaN材料與晶圓片的開發與量產。而WBG市場將往什麼方向發展?誰在其中扮演要角?這些業者又如何克服數十年來WBG元件面臨之高成本、低產量以及有限的供應鏈等挑戰?

電力電子朝向氮化鎵(GaN)碳化矽(SiC)等所謂的寬能隙(WBG)材料元件邁出步伐,雖然矽材料仍為市場主流,GaN與SiC元件很快就會催生新一代更具效益的技術解決方案。總部位於法國的市場研究機構Yole Développement估計,到2025年SiC元件市場營收將佔據整體電力電子市場的10%以上,同時間GaN元件的營收比例則會超過2%。

SiC元件的知名供應商包括意法半導體(ST)、Cree/Wolfspeed、羅姆(Rohm)、英飛凌(Infineon)、安森美(OnSemi)以及三菱(Mitsubishi Electric);而GaN元件的主要供應商,Yole表示包括PI (Power Integrations)與英飛凌,還有新創公司Navitas Semiconductor、Efficient Power Conversion (EPC)、GaN Systems與Transphorm。

眾多業者透過成本最佳化發展出恰當的SiC基板供應商業模式;在2018至2019年間,包括意法、英飛凌與安森美等公司,與SiC基板領導業者如Cree、SiCrystal簽署了多年期基板供應協議。在GaN元件領域,因應大量市場需求的一個主要趨勢,是與像是台灣的台積電(TSMC)、漢磊科技(Episil Technologies)或X-Fab等晶圓代工業者合作。

持續成長的功率半導體元件需求正推動WBG元件市場的成長,各家業者持續投資SiC與GaN材料與晶圓片的開發與量產。而WBG市場將往什麼方向發展?誰在其中扮演要角?這些業者又如何克服數十年來WBG元件面臨之高成本、低產量以及有限的供應鏈等挑戰?

為此《EE Times》訪問了Yole Développement的技術與市場分析師Ezgi Dogmus (博士),請她與我們分享更多SiC與GaN市場的現況,以及那些產業領域應用前景最被看好。

EE Times:Yole如何評估不同GaN元件之間的競爭?特別是在車用市場。

Dogmus有不同種類的GaN元件以及各式各樣的技術解決方案,看應用在哪些領域還有功率大小。在車用市場,我們看到不同廠商在低電壓(<100V)與高電壓(>650V) GaN技術上的開發與進展;低電壓GaN元件鎖定48~12V的輕度混合動力車輛DC/DC電源轉換,650V的GaN元件則著重於電動車車載充電裝置。

EE Times:目前GaN與SiC元件最成功的市場領域何在?在什麼產業上的應用最多?

Dogmus根據我們的了解,SiC功率元件的主要市場是電動/混合動力車市場應用,我們也預期這會是推動SiC市場成長的主要力量。GaN元件近來進軍了高階智慧型手機的高功率快速充電應用領域,這個大規模消費性市場預期接下來五年會成為GaN功率元件的成長主力。

EE Times:SiC/GaN的前景如何?你認為讓其技術與業務版圖進一步擴張之最大機會何在?

Dogmus在業務發展方面可以參考我前面的回答。至於在技術方面,SiC功率元件產業聚焦於改善更大尺寸SiC晶圓片的品質以及功率模組的開發;GaN元件的主流趨勢則是整合──包括系統級封裝(SiP)或是系統級晶片(SoC)解決方案。

EE Times:你認為目前全SiC/GaN模組的發展態勢如何?

Dogmus有不少SiC模組的開發活動,特別是封裝材料,例如裸晶接合(die attach)以及基板互連;各家業者持續投資全SiC模組的開發,以實現更高可靠性與更高功率的模組。而目前已經有嵌入式裸晶GaN元件的開發,新一代車用GaN模組也預期將會在接下來幾年問世。

 

SiC、GaN與Si功率元件市佔率比較(單位:百萬美元)

(圖片來源:Yole)

 

EE Times:為何現在WBG半導體元件如此受到矚目?

Dogmus我們的理解是,SiC與GaN等WBG元件已經達到了顯著的里程碑,各自贏得了設計訂單也開始被應用在一些新興市場,像是汽車、智慧型手機快充等消費性領域。幾乎所有矽功率元件領導供應商都將觸角伸向SiC或GaN市場,而選擇WBG的業者是受到這類元件與系統的更高性能、更高效率、更小尺寸外觀以及更低的系統成本所驅使。

 

SiC功率元件市場動能。

(圖片來源:Yole)

 

EE Times:目前WBG元件市場的投資主要在那些方面?規模多大?

Dogmus蓬勃發展中的SiC功率元件市場最近重點是基板。如ST在2019年以1.375億美元收購了SiC供應商Norstel;同時間Cree也宣布在SiC基板──包括半絕緣(S.I)與單晶(S.C.)種類的晶圓片──製造上投資10億美元,以及將以8吋晶圓設備生產通過車歸認證的SiC產品。近期韓國業者SK Siltron則以4.5億美元完成收購DuPont的SiC業務部門…還有很多相關案例。SiC晶圓產業也有不少新聞,許多SiC元件業者都對於確保晶源供應非常有興趣。

在GaN功率元件方面,該技術最近開始進軍新興應用市場,因此接下來幾年預期會有更多相關投資。舉例來說,ST在2020年第一季收購了法國GaN新創公司Exagan的大多數股份,以利用該公司在GaN系統級封裝解決方案上的專業知識與經驗,鎖定快充應用。

 

GaN產業格局變化與大量應用市場商機。

(圖片來源:Yole)

 

EE Times:還有哪些元件會採用GaN與SiC

Dogmus傳統上,二極體是SiC市場主流;著眼未來,我們預期會有更多車規SiC MOSFET與全SiC模組問世。而GaN產品種類在過去十年越來越多樣化,市面上有離散式GaN HEMT、以系統級封裝整合驅動器與HEMT的方案,以及應用於消費性與工業市場的單體整合式GaN解決方案。業者正在開發創新元件與系統級設計,以利用GaN帶來的龐大附加價值。

 

編譯:Judith Cheng

(參考原文 :Where Is the Wide-Bandgap Market Going?,By Maurizio Di Paolo Emilio)

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