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元件与模组 SiC和GaN功率器件步入快车道,将带来哪些新机遇?

2016/11/15

1. 相比传统的Si功率器件,SiC和GaN功率器件有哪些优势?从市场份额来看,当前各自所占的比例大概是怎样的?
傳統的硅(Silicon; Si)功率器件,由於價格低廉與開發時間較早,已在各種電力電子系統中廣泛應用;然隨著電力電子應用的高效率、高頻切換、高溫操作、高功率密度等需求,逐漸帶出碳化硅(Silicon Carbide; SiC)與氮化鎵(Gallium Nitride; GaN)等新一代寬禁帶材料功率半導體技術與產品進入應用量產階段。根據全球半導體貿易統計組織WSTS發布的數據,顯示2016年全球分立式半導體市場約達190億美元規模,較2015年市場規模成長約2%;而在寬禁帶的SiC與GaN功率半導體市場方面,預估在應用系統需求帶動、寬禁帶材料半導體技術發展愈臻成熟,以及產品價格逐步降低的推波助瀾下,市場規模將由目前的2.5億美元,快速成長至2025年的35億美元水準,預估十年間的年複合成長率將達30%。

2. 基于SiC和GaN这两种材料,贵司已推出哪几款功率器件?各有什么性能和特点?目前的市场需求如何?
由於看準SiC與GaN功率半導體的未來發展,瀚薪科技長期致力於SiC與GaN功率半導體技術與產品開發,專注投入於SiC與GaN的材料特性、製程工藝與功率半導體設計及電力電子應用的相關研究,目前已推出650V與1200V SiC肖特基二极管與MOSFET產品面市,以符合電源、光伏逆變與新能源車輛等應用的高效率產品需求。在SiC肖特基二极管產品部分,由於SiC材料的高導熱優勢及其優異的反向恢復特性,使SiC肖特基二极管在高溫應用時,仍具備極佳的Trr/Qrr,同時在高溫操作下的漏電流(Irm)仍能維持在30µA以下的水準,相較傳統Si快恢復二极管產品,更有益於改善導通與切換損失,並有效提高系統整體效率;此外由於SiC器件具備高頻操作特性,有助應用在提升操作頻率的條件下,進一步縮小系統體積、提升應用之功率密度。瀚薪科技推出的600V/650V與1200V系列產品,已大量為電源適配器、開關電源應用、DC-DC變流器及充電桩等客戶導入採用。針對新能源汽車的應用部分,瀚薪科技因應功率模块的大電流應用需求,推出650V 100A與1200V 60A規格的大電流SiC肖特基二极管芯片產品,用戶可通過大電流芯片的採用,減少模块內芯片的用量,進一步提高功率模块的產品可靠度。
相較於傳統Si的MOSFET與IGBT產品,SiC MOSFET產品能夠通過外延厚度的調整,達到耐壓650V、1200V與1700V以上的規格要求。在器件特性上,SiC MOSFET較Si器件擁有優異的低切換損失優勢,單位芯片面積下的導通電阻(RDS(on))遠低於Si MOSFET;在光伏與新能源車輛所需的高功率逆變器應用上,過去使用了大量的Si IGBT器件與功率模块,但由於IGBT切換頻率較低且帶有拖尾電流,應用客戶已逐漸展開新的系統設計,透過SiC MOSFET的採用,提高開關頻率並消除拖尾電流,進一步獲得系統體積縮減與效率提升的好處。瀚薪科技除積極開發耐壓650V與1200V SiC MOSFET標準規格產品外,並以自主知識產權設計了新型態的SiC MOSFET器件,有助提高SiC MOSFET產品可靠度,並簡化應用客戶的系統設計問題;此外並已投入1700V與3300V SiC MOSFET技術與產品開發,期能提供新能源應用、軌道交通與智慧電網等高功率電力電子創新設計更可靠的新型功率半導體方案。

3. 从应用领域来看,Si、SiC和GaN功率器件的应用市场有什么不同?是否会有所交叉?在哪些应用领域必须使用SiC和GaN等化合物半导体才能实现?哪种功率器件的市场前景最大?为什么?
在Si材料的長久技術發展培育下,Si功率半導體仍為電力電子應用的零件主流;然而由於應用的高效率、高功率密度與高頻化設計需求,Si材料功率半導體確實面臨發展的瓶頸,由材料面切入,朝寬禁帶的SiC與GaN功率半導體技術發展,實為全球共通的前進方向。瀚薪科技認為SiC材料具備高耐壓與耐高溫操作特性,非常適合用來設計600V以上的高壓器件;而針對無線充電等MHz水準的高頻應用需求,600V以下的GaN則將有其市場發揮擅長。以市場規模來看,Si功率器件仍將有其不可取代性,主導整個功率半導體市場的最大份額,而SiC與GaN則將由較高規格的電力電子應用切入,逐步替代既有市場;以市場成長潛力來說,Si功率器件市場將持續走入低價低利的發展,而SiC與GaN則可望在高規格應用的推動下,維持較佳的規模成長空間。

4. SiC/GaN功率元件虽然备受瞩目,但是目前的发展仍处于初期阶段,其当前面临的技术障碍主要有哪些?该如何解决?
SiC肖特基二极管的產品導入應用量產,至今已有超過10年的時間,器件在應用的可靠度與經驗已相對成熟,隨著近年的價格大幅下降,應用客戶已逐漸擴大應用設計。SiC MOSFET產品推出量產至今大約5年的時間,在器件氧化層質量部分,仍有改善與提升空間;此外用以取代IGBT的高良率、高電流SiC MOSFET設計,亦為技術發展的重點方向,高品質、低成本的大尺寸SiC襯底與外延技術發展,終將扮演向前躍進的關鍵。由於器件的特性需要,一般建議SiC MOSFET在20V左右的閘源端電壓(VGS)條件下操作,應用的周邊電路重新設計匹配有其必要。
GaN的技術發展,在近年來持續受到關注,系統研發人員亦投注高度興趣。但目前的技術開發上,主要面臨產品穩定度與可靠度的疑慮,器件封裝的發展仍為技術開發之關鍵。此外由於GaN器件的應用上,仍將著重在其高頻開關特性優勢,驅動控制的選用及調校,以及高頻操作下衍生的電磁干擾/相容問題,則考驗器件與系統研發人員的設計思考。
相較於傳統的Si功率半導體,寬禁帶的SiC與GaN技術產品將帶來材料上的優勢特性;但也由於材料造成的器件特性與傳統Si器件有所差異,在使用上仍須針對器件特性進行最佳化參數設計,系統設計與器件設計的深入探討、相輔相成,才能有效發揮寬禁帶功率器件所帶來的優勢。

5. 目前,成本是否是SiC/GaN功率器件推广的最大障碍?与Si功率器件相比,SiC/GaN功率器件的价格要高出多少?在降低成本方面,贵司有什么应对策略?据您预估,SiC/GaN功率器件进入主流市场还需要多长时间?
由於SiC與GaN的材料與Si不同,在襯底/外延的生長技術上也與Si有極大的差異,致使SiC與GaN功率器件的成本大幅高於Si功率器件,也是SiC/GaN器件無法全面取代Si器件市場之主因。近年來隨著襯底/外延材料技術與供應的提升,材料成本已逐年下降;伴隨著器件供應量與應用的增長,SiC功率器件的價格已逐漸為應用客戶所接受;持續的降低成本,為應用客戶創造更多的導入機會,仍是市場滲透的重要策略。瀚薪科技持續投入SiC與GaN器件上創新技術的開發,以簡化應用設計,協助客戶從系統面向取得優勢。另一方面,持續提升生產良率、導入大尺寸等襯底相關關鍵技術,均是瀚薪科技著重的項目。

6. 随着SiC功率器件成本的下降,会逐渐挤压IGBT的市场吗?具体会是哪部分的市场?
由於SiC MOSFET具備高頻開關與無拖尾電流的特性,可有效縮減應用系統體積,同時提高系統效率、增加功率密度;又因為寬禁帶材料的特性,SiC非常適合做為高耐壓的器件,因此在取代IGBT的市場,確有其發展潛力。以目前全球的應用導入趨勢來看,光伏逆變器與新能源車輛的馬達驅動控制應用,將為SiC MOSFET滲透IGBT市場的重要切入點。

7. 能否透露下贵司在功率器件方面的研发路线和研发方向?
瀚薪科技目前已在SiC肖特基二极管與SiC MOSFET市場應用導入量產,未來的研發方向將持續擴展大電流規格SiC MOSFET產品開發,同時針對1700V與3300V SiC功率器件進行技術與產品開發投入。在GaN功率器件,則將以600V以下HEMT器件技術為主,切入無線充電等高頻應用市場。

By 瀚薪科技
市場與行銷經理
楊雅嵐

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