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功率器件的應用以及發展策略

  • 林育中
功率器件是一個大的半導體器件族群,除了正在擴展中的寬帶隙功率器件外,其他的功率器件都是矽基的傳統器件,只是以結構、載子來區別其功能。AGC

功率器件(power device)是一個大的半導體器件族群,從最早的BJT(Bipolar Junction Transistor,雙極性接面電晶體)、GTO(Gate Turn-off Thyristor,柵關斷閘流體)到現在的Power MOSFET、IGBT(Insolated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極電晶體)以及正在加溫的SiC(Silicon Carbide,碳化矽)與GaN(Gallium Nitride,氮化鎵)寬帶隙(wide band gap)材質的功率器件都屬於此族群。

由於以前器件的存在,多是分離式器件(discrete device)或模組(module)形式,而不是更習見的積體電路封裝;其生產工廠多為傳統的6吋廠、8吋廠,而使用製程最多止於0.13/0.11微米,因此比較少接受到關注。

但是由於電動車/油電混合車(新能源車)、快速充電、無線充電等應用正在快速興起,而6吋廠、8吋廠的機器設備早已停產、晶圓供應受12吋晶圓需求排擠,器件供應增加有限,未來幾年內的市場榮景可期,因此重新又受到注目。

除了正在擴展中的寬帶隙功率器件外,其他的功率器件都是矽基的傳統器件,只是以結構、載子來區別其功能。到2000年左右,器件的主要結構演進大致完成,以後只是漸近式的改良。

功率器件主要的兩個特性為操作頻率和耐受功率。以頻率為橫軸、功率為縱軸作圖,可以約略把這些功率器件存活的生態區描述一、二。最接近原點的是最原始的BJT—低頻較低功率。於其上的是GTO—低頻高功率。於其右的是中頻高功率的IGBT,頻率可達70Hz,功率可達10W。再右邊些,可以高頻運作的是Power MOSFET,頻率可達1MHz,功率卻只能在1W上下。

使用寬帶隙的材料能使這些傳統功率器件的性能再上層樓。它們比矽基器件的共同好處是其功耗減少、散熱較佳、晶粒較小。此外,SiC的耐受功率較矽基的相同器件可以高1個數量級以上,而GaN主要表現在較高的頻率,它也是5G通訊中的理想器件。目前SiC已在6吋廠開始量產,準備移往8吋廠,GaN還在6吋廠。

在未來預計會快速竄起的新能源車中,半導體器件的成本會倍增至600~700美元之間。車輛所使用之半導體大致有控制器、感測器與功率器件三大塊,其中功率器件由汽車至新能源車的成長約有15倍。

新能源車異於傳統汽車的核心技術為電機驅動、電池和電子控制。電機驅動又分成三大部分:傳動機構、電機和逆變器—將直流電變為交流電的設備,逆變器中使用IGBT,約佔整個電機驅動成本的一半。另外在充電樁也會使用到Power MOSFET和IGBT。

功率器件雖然少上媒體焦點,但是台灣也佔此市場10%,在未來興起的市場仍有機會佔一席之地,但這事情極講究市場策略。譬如IGBT,雖然新能源車商機龐大,但事涉安全,產品驗證期非常長,直接進攻恐怕要枵腹了。

不如在驗證期的同時,先往工控和白色家電的市場先取得活命的奶油與麵包。另外,功率器件的應用與規格品類繁多,利用此複雜的生態系取得一個棲息地以徐圖發展也是一策。

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。