從智慧型手機和網際網路到家電、工廠和汽車,電力電子產品已經成為我們生活的一部份。隨著雲端運算、工業4.0,以及電動車(EV)和自動駕駛等領域的發展,電力電子產品的設計和開發革命正在全面展開,人們除了關注電力電子產品的安全性和可靠性之外,也開始關注效率、性能和尺寸問題,並開始體認到如今需要對能源的產生、分配和管理模式做一些改變了。

特別是近幾年來,在電動車的推動下,碳化矽(SiC)功率元件的需求快速增加。據Yole統計,2017年SiC功率元件業務達到3.02億美元,較2016年的2.48億美元成長22%。由於採用了SiC MOSFET模組的特斯拉(Tesla) Model 3產能增加,在汽車產業的推動下,預計2018年將實現飛躍進展。Yole估計,到2023年,SiC功率半導體市場將達到15億美元。

安森美半導體(ON Semiconductor) SiC開發領域負責人Thomas Neyer也透露,「今天的SiC市場已經是3.5億美元的市場。」他預計未來五年內會成長到13億美元。

他還補充說,如果未來幾年成本加速下降,這一預測數字很容易倍增,甚至增加至3倍。Thomas Neyer坦言目前氮化鎵(GaN)的使用率還比較低,市場規模小於5,000萬美元,「但在未來5到10年,GaN將會主導80V~600V的中壓應用,並有可能在該領域完全取代矽基MOSFET,吞食掉這一超過100億美元的市場大餅。」

為何是寬能隙半導體?

GaN電晶體在1990年代首次出現,2010年宜普電源轉換公司(EPC)推出第一個元件後,宣佈GaN開始的正式商業化應用之路。SiC二極體自2001年推出至今已經進入各種高性能電源、可再生能源和馬達驅動應用領域。

基於SiC的功率半導體用於600V~10kV應用。大多數SiC應用是在600V到1700V,但當電壓達到3.3kV~10kV時,它仍然非常適合,例如風力發電和小型電網。而GaN適用於30V~600V的中壓電源應用。因此,GaN和SiC其實是互補的技術,而非相互競爭的技術。

最近幾年GaN的應用開始逐漸增多,例如近幾年興起的車用光達(LiDAR)有很多就是採用了GaN元件來做高頻開關的;在電動車市場,EPC和Transphorm的GaN元件已經取得了車規認證,為汽車領域使用GaN元件做好了準備;在消費電子領域,據悉蘋果(Apple)對基於GaN技術的無線充電解決方案充滿興趣,Navitas和Exagan今年則已推出一款整合GaN解決方案的45W快速充電電源配接器。

GaN Systems執行長Jim Witham在接受採訪時表示,電力電子技術正在蓬勃發展,GaN可作為資料中心、汽車、可再生能源、工業和消費電子等解決方案的基石技術。這是因為GaN與矽基功率元件相比有很明顯的優勢。

GaN和SiC等寬能隙半導體(wide-bandgap semiconductors;WBG)具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優點,可以滿足現代電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求。

從工程角度來看,ADI指出,SiC和GaN的優勢主要有以下4點:

  • 首先,寬能隙半導體具有卓越的dV/dt切換性能,這意味著開關損耗非常小。這使得高開關頻率(SiC為50kHz至500kHz,GaN為1MHz以上)成為可能,結果有助於減小磁體體積,同時提升功率密度。
  • 二是電感值、尺寸和重量能減少70%以上,同時還能減少電容數量,使最終轉換器的尺寸和重量僅相當於傳統轉換器的五分之一。
  • 三是被動元件和機械元件(包括散熱器)的用量可節省約40%,增加部分則表現在控制電子IC上。
  • 四是寬能隙半導體對高結溫具有超高的耐受性,這種耐受性有助於提升功率密度,減少散熱問題。

現代電子技術偏愛高壓,轉向寬能隙半導體的高壓系統,是因為:首先,高壓意味著低電流,這也意味著系統所用的銅總量會減少,結果會直接影響到系統成本的降低;其次,寬能隙技術(透過高壓實現)的阻性損耗減少,結果意味著更高的效率,還能縮減冷卻系統的尺寸,降低其必要性;最後,在子系統層次,它們使工程師可以從基於基板功率模組的設計轉向獨立式設計或基於功率模組的輕型設計。這也就是說要採用相容型PCB和較小的電線,而不是採用匯流排和較重的電線。

在Witham看來,目前最適合寬能隙半導體應用的市場有資料中心、汽車、可再生能源等產業。「資料中心、汽車和可再生能源之前是三個非常獨立的市場,而現在發生了巨大的變化,它們開始變得相互關聯了。它們現在都非常關注效率問題。」

在資料中心方面,現在資料中心消耗的電量佔全球總用電量的2%,Jim Witham認為未來可能會到5%或甚至更多。「GaN技術可以發揮重要作用,透過在伺服器機架中使用更高效和更小的電源,可以在同一機架空間中,使用更多的伺服器,這就意味著該資料中心可以獲得更多的收入。」

當然,資料中心除了關注羽量級和小尺寸外,更關注的其實是能源效率問題,因為在資料中心的營運成本中,有40%是電力成本。降低能源消耗,可以節省一大筆成本。Jim Witham表示,「微軟在過去5年,資料中心規模增加了5倍,預計未來5年內,資料中心的規模也將增長5到10倍。」

現在,資料中心開始與汽車產業串聯起來了,汽車公司也預測其資料中心將增加10倍。因為自動駕駛會收集大量資料,並將一部份資料發送到雲端,然後對其進行分析,並透過AI和機器學習後,在返回至汽車,以實現自動駕駛的目標。

意法半導體(STMicroelectronics)總裁兼執行長Jean-Marc Chery也看到了寬能隙半導體的市場前景。他在參加ASPENCORE舉辦的《全球雙峰會》主題演講中就提到,ST在積極推進SiC元件的產業化,他認為SiC元件是實現電動車的關鍵技術。

電動車和自動駕駛是驅動汽車市場向前發展的兩大推手。在汽車當中有三大應用是與電源相關的,即充電器、DC-DC轉換器和牽引逆變器。在這三大用途中,牽引逆變器是目前為止可以從GaN和SiC技術中受益最多的。因為使用GaN和SiC元件後,可以減輕汽車的重量,提高能效,讓電動車能夠行駛更遠距離,同時可以使用更小的電池和冷卻系統。

在自動駕駛中,由於汽車中需要安裝很多感測器,而GaN可以協助LiDAR改善感測器的性能,還有車內為手機和電腦充電的無線充電,也是GaN的用武之地。

Neyer認為,從2020年起,寬能隙元件將主導電動車的關鍵應用,包括充電基礎設施、車載充電器、牽引逆變器和車載DC-DC轉換器。此外,伺服器電源和5G基礎設施可在高壓直流(HVDC)輸電類型的拓撲中使用寬能隙元件。

寬能隙半導體面臨的挑戰

雖然GaN和SiC等寬能隙半導體正快速成長,但其實它們的發展還面臨著許多挑戰。

首先是所有新技術在推廣初期都會遇到的成本問題。據Yole統計,目前SiC MOSFET元件的每安培成本比同類IGBT高出五倍以上。這主要是由於下游應用目前大多處在研發階段,還未能量產,尤其是在中國。中國寬能隙功率半導體產業聯盟理事長單位山東天岳副總裁孫克博士在今年9月的《2018年國際泛半導體投資論壇》上表示,「從整個國際半導體市場來看,我們判斷寬能隙半導體基本上處在爆發式成長的前期。」

Neyer對成本則沒那麼在意,他認為寬能隙半導體目前遇到的最大挑戰在於為了充份利用SiC元件的功率和性能,必須對封裝進行顯著改進。因為SiC元件的尺寸要小得多。因此,必須最佳化獨立型封裝和模組的熱性能,為此需要改進粘晶材料(die attach materials)和方法,這需要直接散熱和/或雙面散熱的方案。提高開關速度需要盡可能降低寄生電感,高電流密度需要覆晶(flip-chip)和非導線鍵合(non-wire bonded)方案。

他同時強調,真正的挑戰是為市場提供強固和高性能的元件,實現與矽電源半導體相當或優於矽電源半導體的穩定和可靠的運行。而這需要深入的專知和瞭解SiC故障模式。

在孫克博士看來,最大的挑戰來自材料的製備,「做晶片、做模組可以借鑒矽的技術,但是材料的製備難度非常大,碳化矽的製備和矽的製備不同,這是制約產業發展很核心的障礙。要先解決材料問題,降低材料成本,然後再提高材料的一致性。」

寬能隙半導體產業動態

當前市場上,大約有15家SiC二極體製造商和約5家SiC MOSFET製造商,還有一些公司致力於SiC JFET、SiC BJT或SiC IC技術。現階段對於更多供應商還有足夠的發展空間。

目前ROHM,英飛凌(Infineon)、美高森美(Microsemi) 、安森美等公司都在投入SiC的研發和產品量產。

安森美半導體已確定SiC技術為下一代電源管理元件技術的核心戰略,並相應地大量投資於製造基礎設施和技術專長。Neyer說:「因此,我們提供不同尺寸和封裝的600 V至1700 V SiC二極體和900 V至1200 V SiC MOSFET,並積極致力於擴增產品陣容,雖然這其中一些技術要在未來2至3個季度才投放到市場,但安森美半導體已看到這些技術對所有工業和汽車高功率市場有很大的吸引力。」

Jean-Marc Chery表示,「SiC元件是實現電動車的關鍵技術,我們的SiC元件已經量產,而且也是SiC唯一供應商,目前已有30多項SiC計劃在汽車上被廣泛採用。」他透露,「今年我們在SiC市場將佔據90%份額。這個市場到2020年會有6億美元規模,預計到2025年將成長至30億美元,而我們期望佔到30%的市場。」

英飛凌在今年11月13日宣佈以1.24億歐元收購德國新創公司Siltectra,將「冷切割」(Cold Spilt)技術收入囊中。這是一種高效的電晶體材料加工製程,能夠將材料損失降到最低。英飛凌將會把這項技術用到SiC晶圓切割上,從而讓單片晶圓可出產的晶片數量倍增。

英飛凌執行長Reinhard Ploss表示:「此次收購有助於我們利用SiC新材料,並拓展產品組合。」Ploss並希望該技術有助於改善其經濟和資源使用,特別當前不斷增長的電動車業務。

致力於矽基GaN的研究的MACOM也在今年2月宣佈與ST的一份矽基GaN合作開發協議,以增強GaN元件的供應能力。MACOM預計這項協議在擴大MACOM供應來源的同時,還將促進擴大規模、提高產能和成本結構最佳化,從而加速矽基GaN技術在大眾市場的普及。

總之,電力電子產品正蓬勃發展中,從智慧型手機、汽車、資料中心到可再生能源系統,電子產品已經成為了我們生活中越來越大的一部份,而寬能隙半導體在實現這一切的過程中將發揮重要作用。相信未來幾年將會是寬能隙半導體發展的「春天」。