2021 電車襲來》電動車加足馬力向前衝,碳化矽、氮化鎵商機來勢洶洶

作者 | 發布日期 2021 年 01 月 20 日 8:31 | 分類 IC 設計 , 晶片 , 汽車科技 Telegram share ! follow us in feedly


汽車產業持續邁向智慧化、電動化發展,帶動大量車用半導體的需求。根據 TrendForce 旗下拓墣產業研究院調查,隨著全球消費市場需求逐漸回溫,預估 2021 年全球汽車出貨量可望達 8,350 萬輛;2020 年 Q4 各大車廠與 Tier 1 業者開始進行庫存回補,進而帶動車用半導體需求上揚。預估 2021 年全球車用晶片產值將上看 210 億美元,年成長為 12.5%。

TrendForce 表示,車載資通訊、ADAS、自駕車與電動車已是汽車產業不可逆的趨勢,也是驅動車用半導體成長的重要關鍵,未來能否在市場上勝出將取決於先進製程的導入速度與對車用功率半導體的產能掌握度。而寬能隙半導體材料能耐高壓、高電流、高溫,還具備高能源轉換、高頻運作等特性,遂成為電動車產業的新寵兒;且電動車由於主動力與各子系統的運作需仰賴電力,更是寬能隙元件可大顯身手的領域。

寬能隙元件效用大,大廠搶進布局碳化矽、氮化鎵

其中,自從特斯拉(Tesla)在 Model 3 的逆變器模組上採用碳化矽(SiC)後,碳化矽便越來越受重視,且正加速攀升中。根據市調機構 Yole Développement 資料顯示,儘管 COVID-19 對全球汽車供應鏈的運作造成嚴重衝擊,但基於碳化矽的電動車與混合動力車市場並未受到太多影響。許多車廠仍持續對基於碳化矽元件的主逆變器(Inverter)、車載充電單元(OBC)及DC/DC 轉換器進行驗證,準備搭載在未來推出的車款上。也因此,車用碳化矽元件市場將維持快速成長的步伐,預計到 2025 年,市場規模將達 15 億美元,2019-2025 年間的複合年增率(CAGR)為38%。

▲ SiC 市場將呈現快速成長的趨勢。(Source:Yole Développement

為此,全球各大功率半導體供應商無不積極布局碳化矽,像是安森美半導體(ON Semiconductor)在 2020 年 Q1 時便發布了新款 1,200V 和 900V的 SiC MOSFET。另外像是羅姆(ROHM),也在2020年推出了 1,200V  第 4 代SiC MOSFET,相當適合用於動力逆變器等車電動力總成系統和工控裝置電源。

羅姆強調,近年來,隨著新一代電動車(xEV)的加速普及,也連帶開發出具備更高效率,更小且更輕的電動系統,特別是在驅動核心—動力逆變器系統方面,不只要重視小型化及高效率,功率元件也必須跟著進化。另外,為了延長電動車的續航距離,電池容量呈現日益增加的趨勢,但充電時間也需要縮短,所以電池也正朝著高電壓的方向發展(800V)。為了解決上述問題,能兼顧高耐壓和低損耗碳化矽功率元件就被寄予高度期望。

除了羅姆外,另一間日本車用電子元件大廠瑞薩(Renesas)也致力發展電動車,並為下一代混合動力汽車和電動車提供解決方案和評估套件。瑞薩指出,與傳統的矽功率二極體相比,碳化矽蕭特基二極管具有更高的開關頻率,更低成本及更高耐熱性,以實現更好的系統效率。

不過,雖說功率半導體供應商皆積極推出碳化矽相關產品,但目前碳化矽元件的最大挑戰仍是成本偏高,使得各廠商在推出新技術、產品之時,也想方設法的降低元件成本。因此,碳化矽元件製造商紛紛開始與晶圓供應商簽訂長期供貨合約,希望能取得穩定的晶圓供應以降低價格。

例如英飛凌(Infineon)便宣布與 GT Advanced Technologies(GTAT)簽署長達五年的碳化矽晶棒供貨協議,以因應日後布局。意法半導體(ST),也在 2020 年初與羅姆旗下的 SiCrystal GmbH 簽下 6 吋碳化矽晶圓長期供貨協議,根據協定,SiCrystal 需向 ST 提供總價超過 1.2 億美元之 150mm 碳化矽晶片,滿足市場對碳化矽功率元件日益成長的需求。

▲ 各大功率半導體商積極布局 SiC。(Source:Yole Développement

另一方面,除了碳化矽之外,同樣身為寬能隙半導體的氮化鎵(GaN),在電動車市場也備受矚目。氮化鎵元件擁有高轉換效率、小尺寸等優勢,在高功率應用中可以達到更大的節能效益,且能在更高溫的環境下運作;適用於100V-650V 之間的應用。

▲ GaN 元件市場也隨著電動車而快速成長。(Source:Yole Développement

德州儀器(TI)表示,汽車電氣化正顛覆汽車產業,消費者也希望充電能更快速、續航力更長,故工程師必須設計出體積更小、重量更輕的車載系統。工業和汽車應用愈來愈需要在更小的空間內提供更大的電源,設計人員推出的電源管理系統必須具備實證,以便在終端設備內長期穩定運作。

因此繼碳化矽之後,氮化鎵也成為功率半導體供應商積極發展的目標。TI 在去年便推出適用於汽車的 650V 及 600V 氮化鎵場效電晶體(GaN FET),相較於既有解決方案,其能協助工程師實現電源密度加倍、效率高達 99%,且電磁尺寸縮小 59%。

電動車商機旺,台灣半導體也紛紛插旗

汽車產業邁向電氣化已成趨勢,進而帶動寬能隙半導體需求,除了國際知名的功率半導體業者積極布局外,台灣供應鏈也磨刀霍霍,準備在這龐大的商機中分一杯羹。

台積電在 2020 年初便宣布與意法合作,加快氮化鎵製程技術的開發以及氮化鎵分離、整合元件的供貨。結合意法對汽車市場的專業知識以及台積電的製程技術,雙方將改善寬能隙半導體的效能,使功率轉換能有更高的效率,加快先進氮化鎵解決方案的開發和上市時程,有助加速汽車電動化進程。

另外,矽晶圓廠環球晶也相當積極布局寬能隙半導體。環球晶先是在 2019 年與 GTAT 簽訂長約,確保取得長期穩定且符合市場需求的碳化矽晶球供應。接著,2020 更是決議併購世創電子(Siltronic),以縮短在碳化矽及氮化鎵等寬能隙材料矽晶圓開發及前置時間,好爭取國際功率半導體大廠訂單。其餘還有像是漢磊提供 SiC Diode、SiC MOSFET 代工服務、嘉晶提供碳化矽磊晶代工服務等。

▲ 台灣供應鏈也積極布局寬能隙元件,搶攻電動車商機。(Source:TI

順帶一提,汽車產業邁向電動車化的同時,也朝向智慧化發展。如特斯拉大量採用雷達、攝影鏡頭等感測技術,以強化行車安全性,而這也使得台灣半導體業者帶來新的發展機會。像是聯發科也開始研發車用毫米波雷達,並推出了 Autus R10 超短距毫米波雷達平台,並與車用零組件大廠博世(BOSCH)及德國馬牌(Continental)等廠商積極合作。至於瑞昱,則是瞄準智慧車輛對於資料傳輸的速度及處理需求大增,致力研發車用乙太網路晶片,且已切入多款歐系品牌。

整體來說,隨著電動車愈來愈普及,市場對高效能電源管理的需求仍會不斷成長;而寬能隙半導體能為電源應用帶來十分顯著的好處,也讓國際功率半導體供應商,以及台灣晶圓廠、代工廠等業者趨之若鶩,積極投入相關產品、技術發展。而在碳化矽、氮化鎵產品紛紛問世之後,誰能用更低的成本向終端產品製造商提供元件,克服現有價格偏高的挑戰,以獲得更大市占率,值得觀察。

(首圖來源:特斯拉)