第三类半导体应用多元 深化技术能量抢攻电力与通讯商机
- 洪千惠／DIGITIMES企划
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碳有价时代来临，SiC、GaN市场需求持续推升，但第三类半导体因材料特性导致的良率、产能与设计架构等挑战也接踵而至，对此，在经济部产业发展署指导下，DIGITIMES与资策会和台湾区电机电子工业同业公会（TEEMA）于5月中举办「第三类半导体前沿技术与应用商机论坛」，协助台湾产业因应相关挑战。台湾区电机电子工业同业公会副秘书长吕正钦在致词时表示，台湾在化合物半导体领域拥有知名大厂、元件制造经验，已具备高度优势，从这次各界踊跃与会的盛况，可见台湾产业高度重视此技术的未来发展，相信在产官学界的携手合作下，将可创下另一成长高峰。
议程一开始，于Wolfspeed担任Vice President of Marketing的Guy Moxey，以「Silicon Carbide - The Lead of Future Technology」为题发表精彩演讲，为此次论坛揭开序幕。他指出SiC元件正处于快速发展阶段，预计到2030年的市场规模将达120～200亿美元。就应用面来看，SiC在电动车快充、太阳能逆变器、马达驱动与不断电系统等领域有显着优势，可提高相关设备的运作效率与功率密度，同时降低成本。以电动车为例，采用SiC车用三相逆变器可额外提升5%～15%效率，在工业马达驱动及风力发电等大功率应用中，也有助于节能及提高输出电流。目前Wolfspeed已计划投资65亿美元扩充SiC产能，他期望业界可协力推动，加快此技术普及速度。
DIGITIMES研究中心顾问分析师兼总监黄铭章也以「第三类半导体 SiC/GaN 发展及成长商机」为题，分析市场趋势。他表示，2024年全球电动车销售量预估年增2成，SiC元件在电动车应用具庞大商机，其中牵引逆变器（Traction Inverter）应用占车用SiC营收比重超过90%，远高于车载充电器（OBC）等应用。此外，在工业和能源领域如电动车用充电桩、太阳能、风力发电、服务器电源供应器等场域，SiC今后也将有不错的成长力道。GaN功率元件则以快充、个人电脑电源供应器、数据中心和车载充电器为主。
在政策面，国内官方已将第三代半导体纳入《十四五产业科技创新规划》，并通过租税优惠政策和内需市场支持，促进本地企业快速成长。国际车厂也开始与国内车企合作，利用当地成本和技术优势，共同拓展全球市场，形成今后一股不可忽视的势力。预计2023~2029年期间，全球SiC和功率GaN元件/模块市场合计将增加90~100亿美元，其中，SiC市场规模增加70~75亿美元，功率GaN则增加20~25亿美元。
对于第三类半导体发展前景，台大重点科技学院教授李坤彦从SiC切入，在「碳化矽引领电力转换效率再进化」演讲中剖析未来趋势。他指出SiC具有高崩溃电场强度、优于矽的热传导率，在高温下仍能稳定运作，使其在高效率、高可靠性的电力电子应用中占有重要地位。在太阳能和风电系统中，SiC可有效提升系统转换效率，减少能量损失，促进洁净能源的发展；在电动车领域，SiC MOSFET可应用于驱动逆变器、车用充电器和快速充电站，加快充电速度并增加续航里程；在UPS和工业马达驱动系统中，SiC可减少能量损耗，优化系统可靠度；此外，若比较IGBT和MOSFET两种技术，他表示SiC MOSFET在高频操作和低损耗方面更具优势。整体而言，SiC可望成为电动车、再生能源和工业设备提升电力转换效率的关键元件，深具发展潜力并满足减碳需求，有助于引领社会与产业迈向高效、绿色的未来。
SiC、GaN商机诱人 半导体大厂积极布局
半导体元件大厂近年纷纷着手强化第三类半导体布局。台湾英飞凌晶圆代工服务事业部副总经理柯宇轩（Stephen Coates）在「英飞凌SiC与GaN引领AI服务器电源创新」议题中，点出AI对数据中心电源的重大影响，以及英飞凌在高效能功率解决方案领域的领导地位。他表示AI服务器对半导体的需求远高于传统服务器，英飞凌目前已可提供Si、SiC与GaN等相关技术；在封装创新方面，该公司推出的顶部散热封装，可释放PCB底部空间，并有效降低寄生电感，搭配GaN元件，可将LLC谐振电路的开关频率推升至4.5MHz以上，另一组最新的3.3kW参考设计电源模块，同样采用GaN元件，在高达4.5MHz开关频率下仍可实现97.5%以上的转换效率，功率密度接近100W/inch，可满足新时代AI服务器电源的严苛要求。英飞凌持续投入GaN与SiC的创新并扩大产能，预计2027年前大幅提升相关产品营收，并协助数据中心客户提升能源使用率，为低碳经济做出重要贡献。
TI（德州仪器）系统应用工程师黄文鸿在「如何藉由TI中电压GaN提升系统效能」演讲中提到，TI自2010年起开始自主研发GaN技术，并于2024年推出中压DC/DC GaN产品。TI的GaN产品线包括多种封装尺寸、散热方式和保护功能，适用于升降压转换器、微型逆变器、直流马达驱动器及服务器电源供应器等应用。GaN技术的高频运作能力可让电源转换器更小、更轻、更高效，适合电信用电源供应器和可携式电源等领域。TI的LMG2100和LMG3100两项产品，则可见证GaN技术在500W和2kW升降压电源级（Power Stage）所展现的卓越效率和功率密度，未来TI将持续投入中压GaN技术研发，在高频、高效能电源转换应用中扮演关键角色。
深耕功率元件多年的罗姆半导体（ROHM），近年推出多款第三类半导体解决方案。在「GaN整合驱动器成大势所趋，有效简化电源设计」议题中，该公司台湾技术中心资深工程师苏建荣表示，罗姆半导体的GaN和SiC在高电压、高频率和高效率应用中具有显着优势。ROHM的EcoGaN产品在高频运作时展现出色的动态导通电阻RDS（ON），可有效减少功率损耗，提高效率，适合应用于对效率和可靠性要求严苛的高频电源供应器领域。对于未来，ROHM将继续推动第三类半导体技术进展，并提供多种封装和规格的GaN和SiC元件，产品种类则涵盖分离式元件与模块，满足客户端的多元应用需求。
掌握数据完善验证 优化技术研发效能
可靠性分析是各类半导体元件维持品质与效能的重要环节，闳康科技专案副处长张筌钧在「宽能隙半导体元件可靠性分析与效能量测挑战」演讲中提到，GaN和SiC元件的高频率运作、高耐电压能力和高效率特性，虽在电动车、快速充电站及高频率通讯应用中具有显着优势，但仍需克服可靠度和效能等挑战。常用的失效分析技术包括3D X光检测、扫描式电子显微镜、穿透式电子显微镜及电性故障分析等，这些技术可协助工程师快速找出故障原因，并提高产品可靠度，拥有完整分析环境与多年专业经验的闳康科技，将可协助半导体业者透过进行可靠度测试和失效分析，降低进入市场的门槛。
拥有超过37年的电浆制程经验的科学仪器大厂牛津仪器（Oxford Instruments），其所提供的创新电浆处理解决方案，全球装机超过3,000套系统，英国与台湾都设有应用实验室，可提供在地化支持和工程服务。业务经理林家宏在「Plasma Processing Solutions for GaN HEMT Manufacturing」演讲中指出，牛津仪器的先进电浆技术，可广泛应用各领域，GaN HEM制程中，其ALE和Plasma ALD技术可提供低损伤、高精度的解决方案。目前该公司已与罗姆半导体、工研院等知名企业和研究机构紧密合作，扩大下一代GaN HEMT设备制造和GaN MISHEMT生产流程优势，未来，将藉由深耕此领域累积的技术能量，进一步巩固市场领导地位。
芯片的制造过程十分复杂，在数据管理上面临来源多、定义杂、可信度低、实时性差等挑战，为解决上述痛点，商业智能和数据分析平台大厂帆软软件提出了包括数据门户、报表实施、自助分析和数据预警在内的全面规划方案。台湾帆软客户成功经理朱郁文在「半导体产业的实践：利用帆软工具建立部门指标看板与预警系统」议题中提到，该公司基于蓝图规则为企业规划的方案，可完成四大面向交付，一是可帮助报表使用者提升寻找数据的效率，降低报表管理者与使用者的沟通成本；二为可藉由帆软FineReport+FineBI系统的完美结合互补，可轻松搞定企业IT的复杂报表与业务实时分析需求；第三是业务人员可透过简单易用的前端分析工具，快速进行自助式分析，探索数据价值，实现数据驱动业务发展；第四是系统内建的预警功能，可透过监控企业各类经营数据，实时掌握潜在风险，并为高层主管和相关部门提供的预警派送，协助企业优化决策品质。
深耕技术、解决人才短缺困境 台湾可抢占智能化商机
议程最后，由IC之音《姚姚Tech666》节目主持人姚嘉洋与稳懋半导体董事长陈进财进行焦点对谈—「从先进通讯技术发展看化合物半导体再突破」，探讨化合物半导体在先进通讯技术所扮演的角色及相关应用。陈进财指出，化合物半导体卓越的电性表现，使其在5G通讯、AI、光通讯、卫星通讯、车用雷达、国防军事等领域展现出深厚发展潜力。尽管当前5G受限于基础建设进度缓慢，商业化进程不如预期，但业界仍对未来应用前景充满期待。一旦5G网络能够与AI、IoT等尖端技术进行深度整合，将为智能家庭、智能城市、智能交通等创新应用开启崭新篇章，届时化合物半导体的重要性会快速提升。
他接着表示，化合物半导体已成为AI和光通讯系统的关键元件，不仅被应用于光纤通讯的发射和接收端，近期备受瞩目的矽光子技术、卫星通讯、车用电子乃至于国防军事，化合物半导体的高功率、抗辐射特色，都将扮演关键角色，包括稳懋在内的台湾半导体厂商正积极投入技术研发。
面对未来发展荣景，陈进财认为除了发展技术，台湾还需尽快解决化合物半导体人才短缺问题。他建议可从两大方向着手，一方面优化课程设置和实作训练机制，为产业打造即战力；另一方面则是降低海外高端人才引进门槛，鼓励外籍留学生毕业后留台工作。他最后表示，随着5G、AIoT、ADAS等新兴应用商机的到来，化合物半导体市场需求势必爆发性成长，台湾应整合各界资源、加快布局脚步，方能抢占智能化商机。
整合论坛中各专家观点可看出，具备耐高电压、耐高温、低电阻与低切换损失等优异特性的第三类半导体（或称化合物半导体），在电源与通讯领域极具发展潜力。尽管在技术和人才方面仍面临诸多挑战，但台湾产官学界如能通力合作，积极投入技术研发、优化人才培育机制、引进国际人才，同时善用在地化优势，提供可靠度分析、先进制程与智能化管理平台等配套措施，将有机会抢占全球市场先机，为台湾半导体产业建立新里程碑。
参与者增添惊喜收获。DIGITIMES
