台积电的下一个战场
2020-03-13
14:12:48
来源: Sophie
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先谈投资周刊
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在晶圆代工领域称霸全球的台积电，罕见地在二月二十日发布新闻稿，宣布与国际功率半导体ＩＤＭ大厂意法半导体携手合作开发氮化镓(Gallium Nitride；简称GaN)制程技术。这项举动也象征着台积电未来的发展，不在仅止于智能手机、ＡＩ、高速运算等领域，未来将藉由GaN技术加速布局车用电子与电动车应用；期待和意法半导体合作把GaN功率电子的应用带进工业与汽车功率转换。根据IHS Markit市场研究报告预测，GaN功率元件的市场增长快速，每年ＣＡＧＲ超过30％ ，预计到2026年市场规模将超过十亿美元。除５Ｇ通讯市场外，汽车和工业市场也是GaN功率元件的主要驱动力。
长期以来，半导体材料都是由硅(Si)作为基材，不过，硅基半导体受限于硅的物理性质，且面对电路微型化的趋势，不论是在制程或功能的匹配性上已届临极限，愈来愈难符合芯片尺寸缩减、电路功能复杂、散热效率高等多元的性能要求；加上未来更多高频率、高功率等相关电子应用，以及需要更省电、更低运行成本、并能整合更多功能性的半导体元件。因此，近年来所谓的宽能隙半导体材料(WBG)─氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等新一代半导体材料应运而生。
GaN、SiC因导通电阻远小于硅基材料，导通损失、切换损失降低，可带来更高的能源转换效率。挟着高频、高压等优势，加上导电性、散热性佳，元件体积也较小，适合功率半导体应用。相较于硅基元件，GaN元件切换速度增快达十倍，同时可以在更高的最高温度下运作，这些强大的材料本质特性让GaN广泛适用于具备100Ｖ与650Ｖ两种电压范畴持续成长的汽车、工业、电信、以及特定消费性电子应用产品。其实GaN最早是应用在ＬＥＤ领域，一九九三年时，日本日亚化学的中村修二成功以氮化镓和氮化铟镓(InGaN)，开发出具高亮度的蓝光ＬＥＤ。
除了ＬＥＤ之外，GaN的射频零组件具有高频、高功率、较宽频宽、低功耗、小尺寸的特点，能有效在５Ｇ世代中节省ＰＣＢ的空间，特别是手机内部空间上，且能达到良好的功耗控制。目前在GaN射频领域主要由美、日两国企业主导，其中，以美商Cree居首，住友电工、东芝、富士通等日商紧追在后，中国大陆厂如三安光电、海特高新、华进创威在此领域虽有着墨，但与国际大厂相比技术差距大。不过，GaN未来具有潜力的市场则是在车用电子与电动车领域，在汽车当中有三大应用是与电源相关的，即充电器、DC-DC转换器和牵引逆变器。在这三大用途中，牵引逆变器是目前为止可以从GaN技术中受益最多的。因为使用GaN元件后，可以减轻汽车的重量，提高能效，让电动车能够行驶更远距离，同时可以使用更小的电池和冷却系统。
日前由日本名古屋大学、大阪大学，还有Panasonic等学校与企业所共同合作，利用GaN开发出电动车，可大幅减少电动设备的能源损失，消耗电力约可减少二成左右，得以提高电动车之续航力。此外，车用电子采用GaN元件，从而实现更高的效率、更快速的开关速度、更小型化及更低的成本。随着汽车系统逐渐从12Ｖ配电转为四48Ｖ系统，这改变是由于越来越多电子功能需要更大的功率，以及在全自动驾驶车辆推出后，搭载更多系统，例如：雷射雷达(LiDAR)、毫米波雷达、照相机及超声波感测器，对配电系统要求更大的功率；若能采用GaN即可满足高效率的配电系统需求。至于在雷射雷达部分，与硅MOSFET元件相比，GaN技术能够更快速地触发雷射信号，可使自动驾驶汽车可以看得更远、更快速、更清晰。
在GaN功率领域中，市场主要由Infineon、EPC、GaN Systems、Transphorm，Navitas和英诺赛科（IDM）等公司主导，其产品是由台积电、汉磊投控、X-FAB进行代工。至于中国代工厂中，三安光电和海特高新具有量产GaN功率零组件的能力。其中，Transphorm是目前拥有全球最多的专利权(ＩＰ)组合(一千多项已授权和申请中的专利)，生产业界唯一获得JEDEC和AEC-Q101认证的GaN FET。Transphorm设计和制造用于高压电源转换应用的具备最高效能和最高可靠性的650Ｖ和900ＶGaN半导体，Transphorm最新的开关模式电源已被大型CS-25飞机制造商所采用，例如：被用于空中巴士A318-A321、A330、A340、A380和波音B767、B787 VIP飞机。这些电源使用Transphorm的GaN FET，其整体系统效率比竞争性的硅基电源设备(ＰＳＵ)高出10％。
全球功率半导体龙头英飞凌，为目前市场上唯一专注于高压功率器件，涵盖硅、碳化硅和氮化镓材料的全方位供应商。英飞凌早在2014年以30亿美元收购美国国际整流(ＩＲ)公司，透过此次并购，英飞凌取得了ＩＲ的Si基板GaN功率半导体制造技术。2015年三月，英飞凌和Panasonic达成协议，联合开发采用Panasonic的常闭式Si基板GaN电晶体，与英飞凌的表贴(ＳＭＤ)封装的GaN器件，推出高能效600V GaN功率元件。一九年英飞凌发表出CoolGaN e-mode HEMT支援高频运行的应用，包括企业与资料中心伺服器、电信整流器、适配器、充电器和无线充电设施等。此外，CoolGaN拥有高度的耐用性以100ppm(百万分之一)的失效率来看，预估零件使用寿命约为55年，超越预期寿命10年，是市面上最可靠且通过全球认证的GaN解决方案之一。
此外，中国海特高新为100家客户提供产品和技术服务，其中砷化镓已经实现订单37项，氮化镓已经引入六家客户；其中，部分产品批量出货和代工展开量产；５Ｇ基站产品通过性能验证，目前处于可靠性验证阶段；氮化镓功率元器件已经小规模量产。日前海特高新股价也从二月初十人民币，一路飙涨，显示出市场对GaN的高度期待。
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