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SiC MOSFET:意法半導體克服產業挑戰的顛覆性技術
[作者 王岫晨]   2024年11月11日 星期一 瀏覽人次: [1658]

碳化矽作為一項關鍵技術,憑藉其優異的功率效率和性能,已廣泛應用於從車用領域(尤其是電動車和混合動力車)到工業領域(如人工智慧伺服器和可再生能源系統)等多個領域。意法半導體中國及APeC車用SiC產品部門經理Gaetano Pignataro指出,儘管傳統的技術,如IGBT和MOSFET,仍然佔有主導地位,但碳化矽正迅速成為未來功率電子領域的核心,特別是在高功率應用中。



圖一
圖一

在車用領域,碳化矽已經在牽引逆變器等高效能應用中取得顯著成果。Pignataro提到,過去依賴矽基超接面MOSFET的車載充電器(OBC)正逐步轉向碳化矽技術,這使得性能和功率密度大幅提升,滿足了現代電動車對高效能的需求。



圖四
圖四

Pignataro進一步指出,碳化矽的應用範圍不僅限於電動車,還涵蓋了包括工業設備、AI伺服器、資料中心、通訊基礎設施等領域。隨著對更高功率、更高頻率開關及更小型化系統的需求日益增長,碳化矽正成為滿足這些需求的理想材料。特別是在可再生能源領域,碳化矽的應用越來越廣泛,例如風力發電和太陽能逆變器等領域,這些應用需要在高電壓、高開關頻率及極端環境下運行。



圖五
圖五

在發電與配電領域,尤其是在高功率充電站中,碳化矽也已經成為主流技術,能夠應對高功率需求。隨著碳化矽的成本逐漸接近傳統技術,許多過去依賴矽MOSFET的應用正在轉向碳化矽技術,這也使其在工業和能源領域的應用潛力不斷增大。



圖六
圖六

Pignataro強調,汽車市場無疑是碳化矽最大的成長機會。儘管電動車和油電混合車(xEV)在全球輕型車產量中仍佔比較低,但其市佔率正在穩定增長。隨著電動車成本逐漸接近傳統燃油車,消費者對環保選擇的接受度提高,這也促使半導體在車輛中的需求快速增加,為ST等企業創造了龐大的機會。



圖七
圖七

特別是在中國,Pignataro指出,電動化的發展仍處於領先地位,預計今年市場增幅將超過4%。儘管增長速度較以往放緩,但市場依然強勁。相對而言,歐美市場的增長較為緩慢,這主要是受到政府補助政策變動和車貸利率上升等因素的影響。



圖八
圖八

在討論電動車設計的關鍵挑戰時,Pignataro指出,消費者最關心的問題之一就是續航力。隨著電動車需求的增加,如何提升單次充電的行駛距離成為了核心指標。碳化矽材料的特性使其能有效提高效率和功率密度,從而縮小動力系統體積並釋放更多空間以增加電池容量,最終達到延長續航力的目標,Pignataro稱之為「效能續航力」。



圖九
圖九

此外,系統整合性也是一個重要議題。透過減小元件尺寸並最小化冷卻系統,車身重量可以進一步降低,提升行駛距離及整體性能。Pignataro強調,對於汽車製造商和Tier 1供應商而言,模組化設計至關重要,這樣可以將同一動力系統的元件應用於多款車型中,從而節省研發時間與資源,對於電動車的普及具有重要意義。



圖十
圖十

Pignataro進一步提到,除了電動車,充電站和儲能系統也正見證著碳化矽的快速發展。高功率充電站中的矽含量已達到5,000美元,這為市場創造了可觀的規模。尤其在與電網相連的儲能系統中,碳化矽的應用已顯示出巨大潛力,這些系統的矽含量通常在2,500到5,000美元之間,並且今年新增的儲能容量已達12GW,顯示出半導體行業的強大增長動能。



圖十一
圖十一

Pignataro也談到,除了汽車外,碳化矽在航空領域也顯示出巨大的潛力。混合動力飛行器和電動垂直起降飛行器(eVTOL)等特殊應用也開始受益於碳化矽的高效能。碳化矽能夠顯著減輕系統重量,對這些應用來說至關重要。根據與空中巴士等合作夥伴的估算,碳化矽可以減輕電子系統的重量達50%,同時提升功率密度。由於碳化矽在更高溫度下運作效率更佳,這也有助於減少對大型冷卻系統的需求,簡化熱管理並提升整體系統的效能。



圖十二
圖十二

在全球半導體產業中,碳化矽(SiC)技術逐漸成為高效能功率電子的核心,而意法半導體(STMicroelectronics)作為這一領域的先行者,早在2007年便推出了首批碳化矽產品,並且至今已經出貨超過5億顆元件。


Pignataro表示,該公司已經全面量產第三代碳化矽產品,而第四代碳化矽產品預計將於2025年第一季完成認證並推出市場。這一代的技術將進一步提升性能,滿足未來更高功率、更高效率的應用需求。



圖十三
圖十三

然而,意法半導體的創新並不止步於此。Pignataro透露,研發團隊已經開始著手開發第五代碳化矽產品,這款基於平面結構的新產品將為碳化矽技術帶來顯著的性能提升,預計將成為技術發展的重要轉捩點。這種新型結構的設計靈感來自超接面高壓MOSFET,將有助於在高壓應用中實現更高效的運行。



圖十四
圖十四

作為碳化矽技術的領軍企業,意法半導體並不僅僅關注前端製程,封裝技術的創新同樣是其成功的關鍵。Pignataro強調,ST的碳化矽產品線覆蓋多種封裝解決方案,從單一晶片到複雜的模組,都能提供全方位的解決方案,包括高功率封裝、先進鍵合技術以及與其他廠商相容的標準模組。這種產品組合不僅結合了碳化矽的卓越性能,還提供了最先進的封裝技術,滿足不同市場的需求。



圖十五
圖十五

Pignataro還指出,碳化矽的設計和上市過程相當複雜,需要不斷的回饋與改善。他表示,ST積極從故障分析中汲取經驗,並根據實際情況對產品進行調整,以保證其品質和可靠性。此外,ST也與客戶保持密切合作,深入了解產品在實際應用中的表現,並進行FIT(故障率)分析,根據不同的使用情境來估算產品壽命,這樣的回饋機制對提升設計、優化篩選方法和測試程序至關重要。



圖十六
圖十六

Pignataro強調,ST的垂直整合策略是其成功的核心之一。從原材料到最終產品的整個製造過程,ST都能夠進行全面掌控,這使得他們能夠更有效地控制品質並降低成本。尤其在碳化矽材料的製造方面,ST自主管理晶圓生產過程,並且掌控從碳化矽粉末製造晶棒的關鍵步驟。這一過程非常耗時且成本高,但其對最終產品的品質至關重要,ST能夠通過內部生產來確保高品質的基板。



圖十七
圖十七

此外,ST也持續投資擴充生產規模,並在全球範圍內設立了多個製造據點,確保產能能夠滿足日益增長的市場需求。Pignataro透露,ST目前正在積極投入8吋晶圓的量產,並已完成卡塔尼亞的首條8吋試產線認證,目標是全面投入8吋晶圓的量產。



圖十八
圖十八

Pignataro表示,電動化和工業應用將是未來碳化矽需求增長的主要驅動力。隨著電動車市場的快速增長,尤其是在高功率AI伺服器和高效能電源供應系統方面,碳化矽技術的需求也呈現顯著增長。他指出,意法半導體正大力投資於生產能力的擴張,以確保能夠在競爭激烈的市場中保持優勢,並且將持續專注於研發,推動新材料、新技術和新結構的創新。



圖十九
圖十九

此外,意法半導體也積極進行併購,以加強其在碳化矽領域的技術優勢。例如,該公司收購了瑞典諾雪平的Norstel,這將有助於提高基板的生產能力,進一步提高生產效率。Pignataro強調,這些策略性舉措將幫助ST確保在未來市場中的領先地位。



圖二十
圖二十

Pignataro對碳化矽技術的未來充滿信心。他指出,儘管目前碳化矽的應用已經取得顯著進展,但未來的市場機會仍然巨大,尤其是在電動化和工業領域。隨著ST在技術創新、製程優化和產能擴張方面的持續努力,該公司無疑將在這一領域繼續保持領先地位,迎接更加電動化、可持續的未來。



圖二十一
圖二十一

Pignataro最後強調,隨著碳化矽技術的規模經濟效益不斷擴大,製程愈加競爭力,成本結構接近傳統技術,這使得碳化矽有望在各個領域,從電動車到能源、航空等行業,發揮更大的作用。STMicroelectronics將繼續致力於擴展碳化矽的應用,並在這一技術革命中處於領先地位,迎接未來更加電動化、可持續的世界。


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