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功率器件的应用以及发展策略

  • 林育中
功率器件是一个大的半导体器件族群,除了正在扩展中的宽带隙功率器件外,其它的功率器件都是矽基的传统器件,只是以结构、载子来区别其功能。AGC

功率器件(power device)是一个大的半导体器件族群,从最早的BJT(Bipolar Junction Transistor,双极性接面晶体管)、GTO(Gate Turn-off Thyristor,栅关断闸流体)到现在的Power MOSFET、IGBT(Insolated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极晶体管)以及正在加温的SiC(Silicon Carbide,碳化硅)与GaN(Gallium Nitride,氮化镓)宽带隙(wide band gap)材质的功率器件都属于此族群。

由于以前器件的存在,多是分离式器件(discrete device)或模块(module)形式,而不是更习见的集成电路封装;其生产工厂多为传统的6寸厂、8寸厂,而使用制程最多止于0.13/0.11微米,因此比较少接受到关注。

但是由于电动车?油电混合车(新能源车)、快速充电、无线充电等应用正在快速兴起,而6寸厂、8寸厂的机器设备早已停产、晶圆供应受12寸晶圆需求排挤,器件供应增加有限,未来几年内的市场荣景可期,因此重新又受到注目。

除了正在扩展中的宽带隙功率器件外,其它的功率器件都是矽基的传统器件,只是以结构、载子来区别其功能。到2000年左右,器件的主要结构演进大致完成,以后只是渐近式的改良。

功率器件主要的两个特性为操作频率和耐受功率。以频率为横轴、功率为纵轴作图,可以约略把这些功率器件存活的生态区描述一、二。最接近原点的是最原始的BJT—低频较低功率。于其上的是GTO—低频高功率。于其右的是中频高功率的IGBT,频率可达70Hz,功率可达10W。再右边些,可以高频运行的是Power MOSFET,频率可达1MHz,功率却只能在1W上下。

使用宽带隙的材料能使这些传统功率器件的性能再上层楼。它们比矽基器件的共同好处是其功耗减少、散热较佳、晶粒较小。此外,SiC的耐受功率较矽基的相同器件可以高1个数量级以上,而GaN主要表现在较高的频率,它也是5G通讯中的理想器件。目前SiC已在6寸厂开始量产,准备移往8寸厂,GaN还在6寸厂。

在未来预计会快速窜起的新能源车中,半导体器件的成本会倍增至600~700美元之间。车辆所使用之半导体大致有控制器、传感器与功率器件三大块,其中功率器件由汽车至新能源车的成长约有15倍。

新能源车异于传统汽车的核心技术为电机驱动、电池和电子控制。电机驱动又分成三大部分:传动机构、电机和逆变器—将直流电变为交流电的设备,逆变器中使用IGBT,约占整个电机驱动成本的一半。另外在充电桩也会使用到Power MOSFET和IGBT。

功率器件虽然少上媒体焦点,但是台湾也占此市场10%,在未来兴起的市场仍有机会占一席之地,但这事情极讲究市场策略。譬如IGBT,虽然新能源车商机庞大,但事涉安全,产品验证期非常长,直接进攻恐怕要枵腹了。

不如在验证期的同时,先往工控和白色家电的市场先取得活命的奶油与面包。另外,功率器件的应用与规格品类繁多,利用此复杂的生态系取得一个栖息地以徐图发展也是一策。

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。