• 功率半導體產業重返榮耀, 聚焦IGBT與寬能隙材料
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作者:馮欣仁     文章出處:先探雜誌   2074期      出刊區間:undefined/01/17~undefined/01/21

因應5G、電動車、工業四.○、節能家電等趨勢,為了達到高功率密度與低功耗,促使MOSFET、二極體、IGBT等功率元件需求倍增,相關供應鏈將受惠。
受到美中貿易戰影響,去年全球功率半導體庫存明顯升高,直到第四季才逐步去化,相關廠商如英飛凌(IFX)、意法半導體(STM)、Diodes(DIOD)等近期股價反應基本面好轉,出現反彈或創下歷史新高價。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)二大類,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五成。



健策、世界受惠IGBT商機



其中,IGBT可說是近年來功率半導體元件當中,成長幅度最大的產品,主要是因電動車需求強勁所致。IGBT具有高頻率、高電壓、大電流,易於開關等優良性能,被業界喻為功率變流裝置的「CPU」。電動車IGBT使用量約為傳統內燃機引擎汽車的五∼十倍之多,因此將帶動IGBT市場總值持續成長,預估二○二一年IGBT的市場總值將突破五二億美元。目前電動車IGBT元件的主要IDM供應商為英飛凌、ON Semi、Fuji Electronic、意法半導體、Denso等;其中,英飛凌在IGBT元件與模組全球市占率均達三成以上,遙遙領先對手;幾乎全球前十大熱賣電動車中,有八款是採用英飛凌的IGBT。

國內IGBT相關供應鏈上,主要以晶圓代工世界(5347)、晶圓薄化昇陽半導體(8028)、導線架順德(2351)、散熱健策(3653)與艾姆勒(2241)等廠商為主。其中,世界是國內最快量產IGBT之代工廠,不單產出已經多年,而且也是台廠中產出數量最多的公司。散熱廠健策攜手國際半導體廠商,耗費約五年時間開發出電動車逆變器IGBT水冷散熱模組,此產品主要功能為電動車逆變器功率模組的散熱冷卻,提高逆變器效率與壽命,使馬達穩定運轉,健策一八年已通過一家歐系客戶認證,目前已小量出貨,去年再拿到歐系、美系及日系一家客戶認證,並開始出貨。今年在IGBT比重拉升下,,健策營收與獲利可望更上一層樓,全年拚賺一個股本。



WBG逐步蔚為主流



目前主流半導體材料仍為以矽(Si)為基材的矽基半導體,面對電路微型化的趨勢,不論在製程或功能的匹配性上已屆臨極限,愈來愈難符合晶片尺寸縮減、電路功能複雜、散熱效率高等多元的性能要求;加上未來更多高頻率、高功率等相關電子應用,以及需要更省電、更低運行成本、並能整合更多功能性的半導體元件。矽基半導體受限於矽的物理性質,而有不易突破的瓶頸。因此,目前歐、美、日等許多半導體廠都競相投入開發化合物半導體(Compound Semiconductor)的材料、製程及應用。因應5G及電動車等行業需要更耐高溫、高壓及高功率的元件,寬能隙(Wide Band-gap; WBG)材料的應用被寄予厚望。

所謂的寬能隙指的是包括由碳化矽(SiC)或氮化鎵(GaN)兩種材料產生的半導體元件,相較於已發展逾五○年的矽(Si)材料半導體元件,碳化矽(SiC)及氮化鎵(GaN),由於能隙寬(能隙的大小關係半導體元件的導電性)、電子飽和速率高等特點,由SiC基底發展出來的半導體元件,除了有耐高溫、高壓等特性外,還具有電阻小、電流大與低耗電等特性。以氮化鎵(GaN)為例,因其對電磁輻射的敏感性較低,使得氮化鎵為基礎所生產出的元件,在輻射環境中表現出很高的穩定性。這也使得氮化鎵的電晶體可以在高溫和高電壓下環境下工作,是理想的微波頻率功率放大元件。至於在碳化矽(SiC)的材料方面,雖然與氮化鎵一樣同樣具有低抗阻跟高頻率,以及具有耐高溫的特性。但相較於氮化鎵,碳化矽具有更高效率,且在目前成本逐漸降低的情況下,市場上普遍運用於電源控制的方面,也成為另一主流發展方向。



環球晶搶攻SiC晶圓



目前全球電動車龍頭特斯拉旗下Model 3在主逆變器中使用了四二顆意法半導體(STM)的SiC MOSFET;車用Tier 1大廠Delphi在去年九月發表最新使用碳化矽模組的800V Inverter(目前電動車主要使用400V系統),能延長電動車行駛距離並縮短電動車充電時間。此項技術也為Delphi贏得一家主要客戶為期八年、總值達二七億美元訂單,預計自二○二二年開始供貨給使用800V系統的高端車款,為碳化矽未來需求加添信心。在碳化矽供應鏈上,首先在晶圓部分,市場占比最高的廠商是美國科銳(Cree),在晶圓製作技術與良率方面皆有良好表現,市占約六成。看好未來需求,科銳擴產規劃相當積極,一九年五月宣布為期五年的擴產計畫,總投資十億美元,估計屆時在碳化矽晶圓產能與碳化矽晶圓製作材料將提升三○倍之多。有了充足晶圓產能,旗下Wolfspeed也是生產SiC Diode、SiC MOSFET的主要廠商,相輔相成下將持續拉抬在碳化矽產業供應鏈的占比。

目前英飛凌擁有世界第一條十二吋晶圓的功率半導體產線,而位於奧地利菲拉赫、興建中的十二吋薄晶圓全自動化晶片工廠,預定二○二一年初投入營運;屆時將鎖定電動車、工業自動化、5G等應用。此外,意法半導體也在一九年宣布收購SiC晶圓製造商Norstel AB的多數股權,積極布局SiC功率元件發展。在台灣供應鏈方面,主要有矽晶圓廠環球晶(6488)與GTAT簽訂長約,以取得長期穩定的碳化矽高品質碳化矽晶球供應,致力擴展碳化矽晶圓供應鏈占比;漢磊(3707)提供SiC Diode、SiC MOSFET代工服務;嘉晶(3016)提供碳化矽磊晶代工服務;昇陽半導體提供晶圓薄化服務;瀚薪科技則聚焦碳化矽與氮化鎵(GaN)元件開發。不過,因台灣缺乏本土汽車產業助益,車用晶片滲透率並不高,加上主要汽車廠商多半以長期合作的Tier 1或晶片商合作,台灣廠商要切入汽車供應鏈仍有些許困難待克服。

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