傳統的矽難以克服高頻能量損耗,「碳化矽」將是 5G 世代的關鍵半導體材料

半導體材料示意圖,非碳化矽。

【為什麼我們要挑選這篇文章】全球進入 5G 時代!5G 產品傳輸高頻資訊,要面對高功率、高熱等挑戰,為了提升系統效率,碳化矽(SiC)開始成為半導體產業的新寵兒。

除了 5G,電動車也是 SiC 最具前景的應用。目前全球的 SiC 產業概況如何?(責任編輯:郭家宏)

進入 5G 世代,5G 產品大多具備高功率、高壓、高溫等特性,傳統的矽(Si)原料因無法克服在高壓、高頻中的損耗,所以已無法滿足新世代的科技需求,這使得碳化矽(SiC)開始嶄露頭角。

而利用 SiC 製作出的電子零組件,相對於 Si 的優勢主要來自三個方面:降低電能轉換過程中的能量損耗、更容易實現小型化、更耐高溫高壓。

根據 Yole Développement 報告指出,到 2024 年,SiC 功率半導體市場規模將增長至 20 億美元(約新台幣 610 億元),2018 年至 2024 年期間的年複合成長約 30%。其中,汽車市場無疑是最重要的驅動因素,其占 SiC 功率半導體市場比重到 2024 年預計將達 50%。

圖片來源:鉅亨網(資料來源:Yole)

SiC 的最大應用市場:車用電子

由於 SiC 能夠提供較高的電流密度,常被用來製作功率半導體的零組件。根據 Yole 指出,SiC 最大的應用市場來自汽車,與傳統解決方案相比,利用 SiC 的解決方案可使系統效率更高、重量更輕及結構更加緊密。

目前 SiC 零組件在新能源車上應用主要是功率控制單元(PCU)、逆變器,及車載充電器等方面。

功率控制單元:此為車電系統的中樞神經,管理電池中的電能與電機之間的流向、傳遞速度。傳統 PCU 使用矽原料製成,而強電流與高壓電穿過矽製電晶體和二極體時的電能損耗是混合動力車最主要的電能損耗來源。至於使用 SiC 原料則可大幅降低這過程中的電能損耗,約 10%。

逆變器:SiC 用在車用逆變器上,能夠大幅度降低逆變器尺寸及重量,做到輕量化與節能。在相同功率等級下,全 SiC 模組的封裝尺寸明顯小於 Si 模組,約 43%,同時也可以使開關損耗降低 75%。

圖片來源:鉅亨網取自羅姆半導體官網

特斯拉 Model 3 就是採用 ST 與 Infineon 生產的 SiC 逆變器,是第一家在主逆變器中整合全 SiC 功率模組的車廠。

車載充電器:SiC 零組件正在加速滲透至車載充電器領域。根據 Yole 統計,截至 2018 年有超過 20 家車廠在自家車載充電器中採用 SiC SBD 或 SiC MOSFET 零組件,且這一市場在 2023 年之前可望保持 44% 的增長。

SiC 產業概況:美國市占最大,歐洲擁有完整產業鏈

全球 SiC 產業格局呈現美國、歐洲、日本三強鼎立態勢。其中又以美國獨大,占全球 SiC 產值約 70% 至 80%。當中主要的企業有 Cree、Transphorm、II-VI、Dow Corning。

歐洲方面則是擁有完整的 SiC 產業鏈,包含基底、磊晶、零組件及應用產業鏈。主要企業則有:Siltronic、ST、IQE、Infineon 等。

日本則是 SiC 設備和模組開發方面的領導者。主要企業則有:松下、羅姆半導體、住友電氣、三菱化工、瑞薩、富士電機等。

中國雖有涉入,但發展仍在初期,規模遠不如上述三個國家的企期。中國廠目前在基底、磊晶和零組件方面均有布局。主要企業有:中電科、天科合達、泰科天潤、山東天岳、東莞天域、深圳基本半導體、上海瞻芯電子、三安集成等。

(本文經合作夥伴 鉅亨網 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈〈分析〉5G 世代最重要半導體新材料:碳化矽 SiC〉。首圖來源:pxfuel CC Licensed

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