高階電動車技術持續進化,有助碳化矽廠商布局信心提升

作者 | 發布日期 2019 年 10 月 29 日 7:30 | 分類 晶圓 , 材料 , 電動車 follow us in feedly


根據拓墣數據顯示,伴隨車廠推出的各類電動車款增加,2020 年電動車(純電、插電混合式、油電混合式)有望攀上 600 萬輛大關,目前以油電混合的成長速度較快,但就長遠來看,純電動車仍持續占有重要份額,為提升消費者接受度,高端電動車在性能與行駛距離的技術還有進步空間。其中,關鍵的功率半導體元件如碳化矽(SiC)晶圓與 SiC Diode、SiC MOSFET 等,在技術與需求需要提前布局,因此也看到越來越多相關廠商在此領域積極動作。

▲ 2015~2020 年電動車市場規模。(Source:拓墣產業研究院整理,2019.10)

高端電動車技術發展日益重要,推升未來碳化矽晶圓與元件需求將持續增加

現行電動車大多還是以矽基材的 IGBT 為逆變器的晶片模組,是功率半導體在電動車領域的技術主流。SiC MOSFET 雖具較好的性能與散熱表現,但礙於成本過高及碳化矽晶圓製造技術複雜,良率表現沒有矽晶圓好,因此目前碳化矽在電動車使用的滲透率仍不高。

然而,自電動車龍頭廠商特斯拉推出 Model 3 後,高階電動車市場氛圍可能有些許改變。相較市面其他電動車廠商使用矽基底晶片(IGBT、MOSFET等)製作 PEM(Power Electronics Module,用以當作 AC / DC 間的電流轉換),Model 3完全使用 SiC MOSFET 來做 PEM,也讓 SiC MOSFET 在電動車領域引起討論。根據廠商說法,Model 3 因使用 SiC MOSFET 模組,因此 AC / DC 的電流轉換效率在長距離電動車市場上排名第一(若不論行駛距離,現代推出的電動車 Ionic Electric 在電流轉換效率方面較 Model 3 好,但電池功率僅 27KWh,行駛距離只有 Model 3 一半),讓以特斯拉為主要競爭對手的高端汽車廠商評估使用 SiC MOSFET 的效益。

值得一提的是,車用 Tier 1 大廠 Delphi 在 2019 年 9 月發表最新使用碳化矽模組的 800V Inverter(目前電動車主要使用 400V 系統),能延長電動車行駛距離並縮短電動車充電時間。此項技術也為 Delphi 贏得一家主要客戶為期 8 年、總值達 27 億美元訂單,預計自 2022 年開始供貨給使用 800V 系統的高端車款,為碳化矽未來需求加添信心。

此外,SiC MOSFET Module 用在快速充電樁也迅速擴展。豪華車品牌保時捷(Porsche)在 2018 年 10 月即發表以 SiC MOSFET 模組建置可適合各種電動車使用的快速充電樁,除是為自家 Taycan 拉抬聲勢,也顯示快速充電樁在高階電動車市場的必要性。由此看來,儘管目前電動車型以 HEV 居多,且現行多數電動車採用的功率元件仍以 IGBT 為主,但基礎設施的建置與消費者的購買意願仍需要時間布局,從長遠規劃來看,市場端的需求後勢相當可期,也將持續助長碳化矽話題性。

SiC 相關廠商布局積極,營運策略與產業類別多元

從車用碳化矽產業供應鏈分析,可看到不僅廠商多元,布局腳步也相當積極,首先碳化矽晶圓部分,市場占比最高的廠商是美國科銳(Cree),在晶圓製作技術與良率方面皆有良好表現,市占約六成。看好未來需求,科銳擴產規劃相當積極,2019 年 5 月宣布為期 5 年的擴產計畫,總投資 10 億美元,估計屆時在碳化矽晶圓產能與碳化矽晶圓製作材料將提升 30 倍之多。有了充足晶圓產能,旗下 Wolfspeed 也是生產 SiC Diode、SiC MOSFET 的主要廠商,相輔相成下將持續拉抬在碳化矽產業供應鏈的占比。其餘廠商還有美國 II‐VI Incorporated、收購 DuPont SiC 晶圓事業的韓系矽晶圓廠商 SK Siltron 等。

碳化矽晶片製造部分,主要功率半導體 IDM 廠商皆榜上有名,包括英飛凌(Infineon)、ON Semiconductor、STMicroelectronics、ROHM、Mitsubishi Electrics 等,是市場提供碳化矽晶片與 SiC Module 的主要廠商。晶片商與模組商在碳化矽材料的布局也很積極,包括 ROHM 收購 SiCrystal、STMicroelectronics 收購 Norstel、英飛凌收購 Siltectra 借助冷切技術提升元件製作效率等。

另外,在車用 Tier 1 廠商與整車廠部分,例如日前 Robert BOSCH 即宣布,2020 年將進軍以碳化矽晶圓做基底生產車用微晶片,主要用在 AC / DC 轉換,全力助攻主要客戶搶占電動車市場,而日本廠商 DENSO 亦有自己生產相關晶片的能力;在車廠方面,中國車廠比亞迪(BYD)有自研碳化矽及擴大碳化矽功率元件的規劃,投入鉅資布局碳化矽建立完整產業鏈,將整合材料(高純碳化矽粉)、單晶、外延片(Epitaxy)、晶片、模組封裝等,致力於降低碳化矽元件的製作成本,加快電動車領域的應用。

台灣供應鏈方面,主要有矽晶圓廠環球晶與 GTAT 簽訂長約,以取得長期穩定的碳化矽高品質碳化矽晶球供應,致力擴展碳化矽晶圓供應鏈占比;漢磊提供 SiC Diode、SiC MOSFET 代工服務;嘉晶提供碳化矽磊晶代工服務;昇陽半導體提供晶圓薄化服務;瀚薪科技則聚焦碳化矽與氮化鎵(GaN)元件開發,持續增加技術實力,逐漸讓自家產品能跟國際大廠相抗衡。然較可惜的是,由於台灣缺乏本土汽車產業助益,車用晶片滲透率並不高,加上主要汽車廠商多半以長期合作的 Tier 1 或晶片商合作,台灣廠商要切入汽車供應鏈仍有些許困難待克服,包括長期的車規認證及建立客戶採買意願等,目前較有獲利效益的應用仍以工業電源管理與通訊方面為主,在車用碳化矽產業供應鏈要能有一定程度的占比,尚需持續努力。

(首圖來源:shutterstock)