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國際大廠主導功率半導體產業

產業評析   2019/08/19

依照電壓與頻率高低,功率半導體所涵蓋層面從消費性電子、家電、交通運輸、工業機器人、通訊與綠能等產業,只要與電力相關、需透過電力運作的裝置,都離不開功率半導體元件。基本上,功率半導體大致可分為功率離散元件(Power Discrete)與功率積體電路(Power IC)2大類,其中,功率離散元件產品包括金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)、二極體(Diodes)、絕緣柵雙極電晶體(IGBT);而MOSFET占整體功率半導體比重超過5成。

全球功率半導體幾乎被英飛凌、On Semi、STM、Mitsubishi、Toshiba、Vishay、Rohm等歐美日等大廠所主導,這些國際大廠在車用、工業用等所需要的中、高壓產品具有領導地位。其中,德國英飛凌更是獨領風騷,全球市占率達18.6%。由於英飛凌本身也是全球第2大車用半導體廠商,於國際車廠及車用電子系統廠關係緊密,加上技術能力具有優勢,因此,英飛凌在功率半導體領域連續15年居業界龍頭。

英飛凌在功率元件產品布局相當完整,包括:MOSFET、IGBT分離元件與模組,其中,IGBT元件與模組在全球市占率均達3成以上,遙遙領先對手;幾乎全球前十大熱賣電動車中,有8款是採用英飛凌的IGBT。電動車使用到IGBT的裝置主要有5項,包含逆變器、直流 交流電變流器、車載充電器、電力監控系統以及其他附屬系統。其中,逆變器、直流 交流電變流器以及車載充電器對電動車性能表現影響最為關鍵,在配合高電壓高功率的工作條件下,功率元件的採用需替換成IGBT元件或IGBT模組,對IGBT元件的需求量最大。

IGBT具有高頻率、高電壓、大電流,易於開關等優良性能,被業界譽為功率變流裝置的「CPU」;,應用於直流電壓為600V以上的變流系統,如軌道交通、智能電網、航空太空、電動汽車與新能源裝備等領域。在一台電動汽車中,IGBT約占電機驅動系統成本的一半,而電機驅動系統占整車成本的15~20%;也就是說,IGBT占整車成本的7~10%,是除電池之外成本第2高的元件,也決定了整車的能源效率。

有鑑於矽材料的發展已接近其物理極限,因此英飛凌也積極投入新世代寬能隙(Wide Band-gap)材料如碳化矽(Silicon Carbide;簡稱SiC)、氮化鎵(Gallium Nitride;簡稱GaN)。英飛凌自1992年即跨足SiC技術開發,以溝槽式(Trench)技術突破了平面式SiC製程的瓶頸,在2016年發表以CoolSiC為名的MOSFET系列產品並於17年正式上市,可提供高性能、高可靠度、高功率密度,且具成本效益的電源解決方案;該系列產品將以太陽能、電動車充電系統與工業級電源供應為主要的應用領域。

與傳統矽(Si)材料IGBT和MOSFET的開關元件相比,CoolSiC MOSFET提供了在1200V的開關中具有較低的閘極電荷與電容、反向並聯二極體無反向恢復損耗、較低切換損耗等。韓國現代汽車已宣布未來新世代電動車,將採用英飛凌CoolSiC系列產品。此外,英飛凌為了研發與生產SiC產品,除了與Cree簽署了碳化矽晶圓的供應合約之外,去年更收購位於德國德勒斯登的新創公司Siltectra,該公司開發一種創新的冷切割技術(Cold Split),可有效處理晶體材料,並可大幅減少材料損耗。

英飛凌將採用此Cold Split技術分割碳化矽(SiC)晶圓,使晶圓產出雙倍的晶片數量。目前英飛凌擁有世界第一條12吋晶圓的功率半導體產線,而位於奧地利菲拉赫、興建中的12吋薄晶圓全自動化晶片工廠,預定2021年初投入營運;屆時將鎖定電動車、工業自動化、5G等應用。此外,意法半導體(STM)也在今年 2月宣布收購SiC晶圓製造商Norstel AB的多數股權,積極布局SiC功率元件發展。

日本三菱電機在功率半導體地位也具有舉足輕重,尤其,在智慧功率模組(IPM)更稱霸全球,市占率近4成;IPM3個核心技術「驅動、封裝、晶片」都是自行研發。由於三菱集團所涵蓋產業包括工業自動化,能源電力,鐵路牽引、電力傳輸、電梯、變頻冰箱、空調等,因此,足以支撐三菱電機在功率元件發展。

目前三菱電機已經推出第7代IPM,不僅功率得到了大幅度提升,還具備三大優化:1、內部集成驅動IC,調整驅動電流以改變不同電流下的dv/dt(額定電壓上升率),易於系統電磁干擾(EMI)設計;2、配合優化的驅動IC,辨識故障類型,方便系統設計;3、採用SLC封裝技術,並優化模組的封裝材料,以提升模組壽命和可靠性。

為了適應變頻市場高可靠性、低成本、小型化等的應用需求,三菱電機開發出雙列直插型智慧功率模組(DIPIPMTM)系列產品;目前DIPIPMTM已成為變頻家電不可或缺的重要零件。自從1997年正式推出DIPIPMTM到今年1月,三菱電機DIPIPMTM產品已累計出貨量超過6.5億片。此外,值得一提的是,三菱電機針對鐵道運輸系統,推出高壓IGBT模組(HV-IGBT/HVIPM),該產品已成為業界所認可。

今年更針對軌道牽引、電力傳輸和高可靠性變流器等應用領域,推出功率密度更高的X系列HVIGBT,涵蓋傳統封裝、LV100封裝(6KV絕緣耐壓)、HV100封裝(10KV絕緣耐壓)3種封裝模式;透過優化封裝內部結構,X系列HVIGBT提高散熱性、耐濕性和阻燃性,延長產品壽命;全新的封裝結構,實現極低內部雜散電感。有別於同業,三菱電機則在運輸、工業與家電領域占有一席之地。

同樣地,三菱電機也有在SiC布局,日前已開發出耐壓6.5KV的全碳化矽功率半導體模組。採用二極體和MOSFET合併為單晶片和全新構裝形式,並實現了額定輸出功率密度比以往多1.8倍的9.3KW/cm3,創下世界新紀錄;透過這樣的功率模組,可實現針對需要高耐壓及小型化、省空間化和節能的鐵路,電力的動力設備。

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