LEDinside 研討會直擊: SEMI功率電子研討會預見市場藍海

隨著全球節能環保、永續經營意識抬頭,光電半導體產業更積極發展創新技術以達到提高產品效率、降低功耗、減少材料、簡化製程等目標,加上電動車及再生能源發電等各種能源傳輸與轉換系統對於高效率與低耗能設計之需求,促使產業轉而尋找碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)等能支持更高功率轉換的材料。
 
看好此趨勢,SEMI於10月14日於新竹喜來登飯店舉辦「功率電子技術研討會」邀請Yole、GaN System、Delta、Toyota等業界技術先驅,針對碳化矽與氮化鎵等功率元件、化合物半導體、車用半導體等主題,從上游材料與製程至終端應用,分享最新趨勢與技術。
 
Yole Development Pierric Gueguen表示受惠於高速動力市場與節能、綠能市場需求,功率元件模組市場將呈現快速成長的趨勢。主要的機會在於市場對功率密度與轉換效率要求提升,而挑戰則在於其價格與成本。以功率密度來說,要求高電流密度、高工作溫度與瞬間開關能力。在效率上,更可見到散熱能力將是功率元件封裝上最重要的指標。由於高功率密度的需求,工作結溫在150℃的產品更能見到效率與高表現。廠商佈局上,英飛凌併購WolfSpeed的綜效之下,相信市場份額將能更為快速成長。
 
總結以上,預期2020年產品發展上,GaN 功率元件將可達到900V 的表現能力;而SiC 功率元件的產品將更可提升到更高壓的市場。在產品應用上,GaN 功率元件更適合應用於電源供應產品;SiC 功率元件則應用在需嚴苛穩定表現的工業級市場,達到1700V 更高壓的產品應用之中。
 
GaN Systems 市場行銷資深主管Charles Bailley表示,以散熱係數來看,SiC 功率產品擁有絕佳表現。此外,GaN 產品相當適合快速開關、散熱、與PCB 電路設計 (Layout),提供小體積的產品設計。因此,未來GaN E-HEMT將更適合替換掉Si MOSFET 與 IGBT 等產品市場,如AC-DC 電源供應應用於消費者產品、資訊中心(Data Center)、工業企業市場、太陽能逆變器、車用市場應用等。最後提到在GaN E-HEMT與Si MOSFET上的質量因素比較 (Figure of Merit, FOM),GaN E-HEMT 有更高電流分布可從7A到250A。最後,相信GaN E-HEMT 在JESDE工業測試指標的規範之下,更有明確的產品發展設計,同時車用產品測試也在進行中,未來將更能從指標帶動產品規範,進而帶動市場需求。
 
Epiworld成立於2011年,專注於SiC 磊晶片生長,主要尺寸為3、4、6吋產品。除了生產產品外,Epiworld 更期待能共同和客戶提供相關服務協助。以4吋產品,厚度一致性與穩定性可達到一定指標。
 
馮淦先生指出目前EpiWorld的外延生長主要是在4H-SiC 的基板上,然而基板產品價格相當的高。目前市場主流以4吋為主,為了提高生產的性價比,朝向6吋產品發展。然而6吋產品面臨到供給挑戰,第一、市場需求雖穩定成長,但未到需要要求供應提升的腳步;第二,產品品質尚未穩定;第三、隨著產品尺寸的提升,製造生產上面臨的應力也相對面臨挑戰。
 
台達電技術長張育銘博士指出,工業4.0與機器人帶動高速馬達的市場需求,過去較多使用IGBT,然而未來在更好的效率與表現上,GaN 與 SiC 功率元件將更受到矚目。同時,也期望歐洲知名車廠將推出電動車車款,帶動快速充電市場需求。
 
功率模組產品除了要求高功率外,也要求高輸入電壓,以達到再生能源、智慧電網的市場要求。同時產品體積與重量也須達到總成本管理 (Total Cost of Ownership),高頻模組也成為主要發展趨勢。
 
同時,相較於IGBT,SiC MOSFET 擁有更好的低傳導損耗 (Lower Conduction Loss) 與低開關損耗 (Lower Switching Loss)。在功率元件模組設計上考量,除了可靠度外,降低雜散電感電容 (Stray Inductance and Capacitor)是相當重要的,並且產品設計涵蓋柵級驅動 (Gate Drive Circuit) 保護電流 (Protection Circuit)。同時,推出更適用的封裝將幫助產品應用於市場。若能有相關雲端監測系統幫助工作壽命與可靠度的提升,也是相當符合市場需求。
 
張技術長提到,使用在SiC MOSFET 功率模組上封裝應用在電動車市場,富士最新產品上採用6個開關,兩個並聯,採用定電壓,涵蓋過電保護,將市場需求考慮其中。
 
Toyota Motor Corporation擔當部長濱田公守 (Kimimori Hamada) 提出,目前全球已有900萬台豐田混合動力車輛 (Hybrid Vehicles),隨著未來燃油消耗規範的更為嚴苛與降低碳排放量的要求,豐田自身定出2050年車輛零碳排放量。因應隨之而來的要求,相信電動車市場將會成為未來市場發展成長動力。功率模組上的設計若採用雙邊冷卻模組 (Double-sided cooling module),散熱能力將能明顯提升。目前豐田已推出第四代Si- IGBT 的產品,相較於第一代產品,功率損耗已下降至1/5。
 
最後,豐田提到新推出的燃料電動車 (FCV),Mirai最大的輸出功率達9kW,續航里程可達到600km左右。因應終端產品的要求,豐田的SiC 功率元件能提供高散熱能力、快速開關能力,並於2013年完成SiC 功率元件廠商設立並自有供應產品。若應用在電動公車中,將使用兩組SiC 功率模組。
 
文 Roger, Joanne / LEDinside
 
 
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