电动车5G掀转换组件革命 成下世代半导体材料新星

SEMICON Taiwan 2019 功率暨光电半导体技术论坛会后花絮报导

随着5G、电动车等应用兴起，产业对于高频与低损耗特性的需求与日俱增。在此背景下，拥有优秀特性的宽能隙半导体材料，成为备受业界瞩目的新秀。

汽车与射频通讯领域对于高频率、高压或高温组件需求逐年扩增，宽能隙半导体，如 (SiC)和氮化镓(GaN)，正在与传统的硅材料结合使用，由于其可以在较高频率、电压和温度的环境下作业，同时损失较少的功率，为相关产业发展带来崭新的突破。

稳懋半导体策略长、SEMI Taiwan功率暨 委员会主席李宗鸿 (图1) 表示， 发展已历经一段岁月，2019年开始将会是持续爆发的时间点，无论是在功率电子组件、光通讯组件、光传输、感测与微波通讯等应用，对于 的需求只会有增无减，以实现快速传输，为生活带来更多的便利。

(图1) 稳懋半导体策略长/SEMI Taiwan功率暨 委员会主席李宗鸿指出在功率电子组件、光通讯组件、光传输、感测与微波通讯等应用方面，对于 的需求将会有增无减。

中科院材料暨光电研究所长、高功率组件应用研发联盟代表，同时也是SEMI Taiwan功率暨 委员会副主席程一诚 (图2) 也呼应，电子时代的应用追求高功率、高温与高频的应用，像是电动车、5G/6G通讯，甚至是新能源发展，既有的半导体技术已经没有办法应付未来发展的应用，故 如GaN和SiC角色愈趋重要。为加速高功率组件发展，除垂直应用领域整合外，更应着手强化产官学间的合作，发起共同研发计划，为台湾产业找到具获利基础的技术发展方向。

(图2) 中科院材料暨光电研究所长、高功率组件应用研发联盟代表、SEMI Taiwan功率暨 委员会副主席程一诚认为既有的半导体技术已经没有办法应付未来的应用， 角色将会愈趋重要。

电动车带动SiC需求起飞　GaN抢攻中低功率市场

从电动车市场来看，全球有50%的电动车市场来自于中国市场。在政府大力推动以及节能减碳的需求日增，促进国内外车厂大举投入电动车，其中最积极的厂商包含吉利集团和比亚迪这两家公司。

万邦新能源集团高级副总裁、SEMI Taiwan功率暨 委员会荣誉主席张育铭 (图3) 谈到，电动车市场蓬勃发展，亦带动相关半导体产业链的起飞，特别是具备高耐压电场、高饱和电子速度、以及高散热系数的宽能隙功率组件。继特斯拉(Tesla)之后，已有越来越多厂商将SiC导入至汽车或充电站应用。SiC能让电源系统的整体效率提升、尺寸变小，得以让充电站普及建置变得更加容易。目前在180KW应用已经大多数已经开始用了SiC技术，例如保时捷(Porsche)快充就是采用SiC技术。

(图3) 随着电动车市场蓬勃发展，万邦新能源集团高级副总裁/SEMI Taiwan功率暨 委员会荣誉主席张育铭对于相关半导体产业链的起飞，抱持乐观看法。

Yole Développement电力及无线部门总监Claire Troadec (图4) 谈到，不同功率组件的使用分布与应用频率有关。基本上，GaN与硅技术的应用频率有所重迭，不过GaN的理想应用频率在高频，可以比硅应用于更高的频率工作。但是受限于成本因素，在低频区域仍以MOSFET为首选。另一方面，SiC正进入需要高效率系统的高功率市场。

(图4) Yole Développement电力及无线部门总监Claire Troadec认为SiC正进入需要高效率系统的高功率市场。

应用材料(Applied Materials)技术总监何文彬 (图5) 分析，汽车产业对于可靠度的要求非常高，尤其是汽车本身，而SiC对汽车产业而言是新兴的组件技术，还需要一段时间证明其安全性与可靠度。因此，基本上SiC将会从充电站开始着手，藉由充电站的建立提供可靠度数据数据，当数据数据越多，可靠度设计基础也就越扎实，目前可看到SiC已陆续用于车载充电器(On-Board charger, OBC)。

(图5) 鉴于汽车产业对可靠度的高要求，应用材料(Applied Materials)技术总监何文彬分析，SiC将会从充电站着手，并可透过充电站建立可靠度数据数据。

意法半导体(ST)策略营销、创新暨关键计划经理Filippo Di Giovanni (图6) 表示，SiC技术的升级速度远超市场预期，从汽车牵引逆变器(Traction Inverter)，DC/DC转换器和OBC及工业应用如太阳不间断电源(UPS)、储能与PUS领域即能看到总体设计成本已有高达20%的降低。 

(图6) 意法半导体(ST)策略营销、创新暨关键计划经理Filippo Di Giovanni对于SiC技术的升级速度抱持正面的态度。

除了SiC之外，宜普(EPC)全球销售和营销资深副总裁Nick Cataldo (图7) 表示，与硅相比，GaN更具备更快速、尺寸小、更高效率、更便宜且易于整合等能力，可广泛应用于新兴的物联网设备、医疗诊断和植入式设备、光达(应用于自驾车、AR和无人机)、无线充电及计算机运算相关领域(如云端运算、AI和深度学习等)。值得一提的是，400W以下的GaN制程，除了磊晶外，所有制程皆可使用标准的硅设备。

(图7) 宜普（EPC）全球销售和营销资深副总裁Nick Cataldo提出GaN小尺寸、高效率、低成本的优势，可广泛应用于物联网设备、医疗诊断等领域。

5G带来四高要求　成 发展另一动能

除了功率组件之外，无线通信一直是 最重要的应用市场，因此在无线通信往5G迈进的过程中，SiC、GaN等 也会同蒙其利。

稳懋半导体协理黄智文 (图8) 表示，过去台积电曾说物联网是驱动半导体技术的关键应用，但从 厂商的角度来说，稳懋认为5G将是未来驱动 的重要技术，而5G也正在发展当中。过去4G时代，低频对于封装技术的要求不高，而5G由于要求高频、高线性(Linearity)、高效率及高整合，芯片尺寸大小成了关键问题，为此该公司提供功率放大器(PA)与低噪声放大器(LNA)的整合方案，因应5G应用需求。

关于 应用于5G通讯技术的发展状况，在Yole Développement电力及无线部门总监Troadec 的分享中也提到，2018~2023年之间，由于5G需要更多的基地台收发台(BTS)与串联中央及分布式单元的光通讯连接，对于磷化铟(Indium Phospide, InP)技术更胜以往，复合年均成长率为16%；而GaAs RF用于功率放大器可提供优异的稳定性且体积小，复合年均成长率为2%；GaN RF SiC大多用于军用领域，特别是5G应用，年复合成长率有13%之多。

(图8) 稳懋半导体协理黄智文认为5G对于高频、高线性(Linearity)、高效率及高整合的要求，让芯片的尺寸成为竞技关键。

整体而言，5G发展正如火如荼进行当中，2019年已经有5G商用手机已陆续面式，而5G基础建设更是马不停蹄展开布建。5G技术的导入为手机带来典范转移，未来手机将不再只是个人化载具，其通过与物联网连接，将成为人与环境之间互相传递信息的行动窗口，为生活带来更高的便利性。

满足高可靠度要求　烧结蚀刻新技术有解

从封装制程设计角度来看，先进太平洋(ASM Pacific)技术副总裁Eric Kuah (图9) 谈到，银烧结技术可以减低封装时的负荷及组件劣化问题，可用于车辆电气化中的测试封装电源模块。

针对烧结制程，只有当温度、时间与压力控制三方达到最佳的平衡点时，才能获得最佳的烧结结果，因此，确保所有材料良好烧结余一个封装内，或减少烧结后封装上的氧化物，以减低制造成本，都是采用烧结技术时需考虑的解决方案。

(图9) 先进太平洋(ASM Pacific)技术副总裁Eric Kuah从封装制程设计角度分析：银烧结技术可降低封装时负荷及组件劣化问题，适用于车辆电气化中的测试封装电源模块。

至于在蚀刻制程方面，住程科技系统(SPTS)产品经理Richard Barnett (图10) 表示，SiC晶圆可同时使用在功率组件及高功率射频组件两个领域，其所使用的蚀刻制程有些不同。功率组件只有正面蚀刻需求，属于浅蚀刻(Shallow Etching)，蚀刻速度快，且不用担心蚀刻制程会损坏组件。

大功率射频技术则有正面蚀刻与背面蚀刻的需求，正面用浅蚀刻，但因为有损坏组件的可能性，所以蚀刻速率会放慢；至于在背面，则需要采用深蚀刻(Deep Etching)，且因为无须担心对组件造成损坏，故可拉高蚀刻速度。

(图10)住程科技系统(SPTS)产品经理Richard Barnett从蚀刻制程角度提醒：SiC晶圆可同时使用在功率组件及高功率射频组件两个领域，但皆各有需留意之处。

不过，由于SiC功率组件从平面结构转向沟槽式(Trench)结构的趋势兴起，未来蚀刻设备在这方面会有很大的发展机会。不过，要在SiC晶圆上蚀刻出沟槽，需要搭配深度控制技术，这方面目前业界有两种方法，分别是白光干涉与雷射干涉，但各自有其适合的应用情境跟限制。

降低生产成本　制程控制仍不可免

虽然 未来有很大的应用发展潜力，但不可讳言的是，SiC跟GaN材料目前的成本还是比硅材料高出一大截，这使得半导体制造商必须在制程控制上必须投入更多心力跟资源，以降低生产成本，满足客户要求。

科磊(KLA)亚洲区产品营销经理周发业 (图11) 指出，制程控制(Process Control)在本质上是一种数据分析，其前端分成检查(Inspection)、复查(Review)与量测(Metroglogy)三个部分，藉由在各个制程步骤中收集更多资料，及早发现缺陷，进而采取对应的控制手段。

(图11) 科磊(KLA)亚洲区产品营销经理周发业指出，制程控制分成检查、复查与量测三部分，藉由透过各步骤收集资料，及早发现缺陷，进而采取对应的控制方式。

制程控制除了可以避免有缺陷的组件流入后续的制程步骤，白白浪费时间跟资源外，对于提高生产良率跟产能，降低生产成本也可带来帮助。一般来说，先进制程对制程控制较为讲究，因为任何一点小小的缺陷都会使采用先进制程的芯片失效，而且制程控制对于缩短新制程的良率拉升曲线，能带来相当明显的效益。

相对的，成熟制程因为良率已经非常稳定，因此采用成熟制程的芯片，往往比较容易忽略制程控制的重要性。但由于SiC、GaN等材料有着不同于硅材料的特性，且单价可达硅材料的数倍甚至数十倍，因此导入制程控制所能获得的经济效益，将比过去更为明显。

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(图说12) 由左至右分别为：科磊(KLA)亚洲区产品营销经理周发业、Yole Développement电力及无线部门总监Claire Troadec、应用材料(Applied Materials)技术总监何文彬、先进太平洋(ASM Pacific)技术副总裁Eric Kuah、汉磊科技总经理/SEMI Taiwan功率暨 委员会副主席庄渊棋、稳懋半导体策略长/SEMI Taiwan功率暨 委员会主席李宗鸿、万邦新能源集团高级副总裁/SEMI Taiwan功率暨 委员会荣誉主席张育铭、意法半导体(ST)策略营销、创新暨关键计划经理Filippo Di Giovanni、中科院材料暨光电研究所长/高功率组件应用研发联盟代表/SEMI Taiwan功率暨 委员会副主席程一诚、联颖光电技术长/SEMI Taiwan功率暨 委员会副主席林嘉孚、宜普（EPC）全球销售和营销资深副总裁Nick Cataldo。