第三代半導體的應用如何發展？意法半導體、德州儀器鎖定車用市場

第三代半導體的應用如何發展？意法半導體、德州儀器鎖定車用市場

在近日舉行美國應用電力電子的線上會議上，除了帶來電力電源系統外，意法半導體、JEDEC怎麼看第三代半導體？

美國應用電力電子會議（Applied Power Electronics Conference，簡稱APEC），雖然去年因為疫情被取消，但今年躍上雲端向大眾展出，側重於展示電力電子產業的應用實務，今年更邀集德州儀器、意法半導體、英飛凌等大廠參展和釋出演說，探討第三代半導體於電源領域的應用。

已有逾30年曆史的APEC大會，於國內時間15日開跑為期4日的會議，聚焦在功率電子的實際應用，尤其關注各種功率電子元件裝置的製造和推廣。今年演說涵蓋汽車、第三代半導體、儲能等主題，尤其是前兩日的主題演說，也聚焦於現下炙手可熱的第三代半導體做討論。

為何第三代半導體如此受歡迎？作為開場演說，意法半導體汽車產品部副總裁EdoardoMerli一語點出：「因為不僅能實現更高的能良轉換效率，也有助於減少對環境造成影響。」

第三代半導體：兼顧減碳、提升電源系統效益

EdoardoMerli簡單回顧背景，半導體原料最大宗主要以第一代的「矽（Si）」晶圓的生產製造為主；然而也因物理特性已達極限，無法再提升電量、降低熱損、提升速度。因此，具備高能效、低能耗的第三代半導體也就應對而生，代表碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）。同時，受到5G、電動車、可再生能源等領域拉動，現已邁入高速成長期。

Merli在演說上，聚焦在第三代半導體為電源系統帶來的幫助；以及，在滿足對高效電源系統日益增長的需求，又如何做到減少碳足跡。

Merli提出資料，2018年全球總電用量超過每小時22,000Twh，而製造工業就佔據了42%的比例，「如果我們在工業用電做到1%的提升，那麼就可以省下93.6Twh。」這樣的節能成效，也相當於15個核電站的排放量。同時，這也響應到意法半導體近期宣佈的永續發展計劃：承諾在2027年實現碳中和的目標。

Merli解說，運用第三代寬能隙半導體，對於電動車帶來的效益。

過去，電動車都使用矽製成的IGBT電源轉換晶片，但早在2018年，特斯拉Model 3就採用意法半導體制造的碳化矽元件，為電動車轉換電能。Merli表示，對於電動車來說，可以提升電池續航時間、減少負重等優勢，但最重要的，還是在於提升電動車充電站的工作效率。

「通過ACEPACK技術，可以在塑料封裝內結合高功率密度與可靠性。」Merli指出，在封裝領域的技術，意法半導體擁有整合化的模組封裝產品ACEPACK，可讓設計變得更為緊湊，也能解決散熱的問題，也能為電動車充電站提升效益。

意法半導體擁有整合化的模組封裝產品ACEPACK。

GaN車用市場應用熱，穩定性也被建立起標準

為了加速電動車技術匯入，滿足續航里程、充電時間與「CP值」的要求，全球汽車大廠普遍在研發上，往往需要更高的電池容量、更優的充電效能；而應用第三代半導體，就能實現極低的電容以及理想的導通電阻。

舉例來看，德州儀器今年就鎖定車用市場，推出車用氮化鎵場效電晶體（GaN FET）整合驅動器，可謂充分發揮氮化鎵的優點，實現高效率、高頻率開關效能，同時避免衍生出設計與元件選擇問題。

德州儀器是全球最大的模擬IC供貨商，也是車用晶片全球前五大廠之一。

從德州儀器的資料來看，其所開發的氮化鎵元件具有超過4000萬小時的可靠度，能滿足汽車製造商對強健性的標準。如此看來，第三代半導體不只被拿來探討高效應用，穩定性也十分重要。

同樣作為JEDEC（固態及半導體工業界的標準化的組織）的JC-70第三代半導體委員會主席，德州儀器創新技術架構師的Stephanie Watts Butler也在演說中呼籲：「第三代半導體市場正在增長，但建立對應的規範也同等重要！」Butler接著代表JEDEC釋出演說，主要探討第三代半導體特定屬性帶來的挑戰，JEDEC如何為其帶來解方。

據Butler說明，因為氮化鎵元件的開關速度快，並且常會遇到需同時承受電壓及電流應力的狀況。過去的矽電晶體安全工作區（Safe Operating Area, SOA）測試方法，無法完成氮化鎵電晶體的特徵測試。

於是，為了要顧及功率轉換應用的工作穩定性、開關壽命，JC-70委員會推出測試氮化鎵功率轉換裝置的規範JEP182，就可對氮化鎵電晶體的可靠性進行評估、測試。

JEDEC：提出量測碳化矽MOSFET的可靠性指南

除此之外，在第三代半導體應用中，碳化矽MOSFET普遍被用於太陽能、充電、新能源汽車等應用領域。但也因為其材料、結構的特殊性，碳化矽MOSFET的可靠性與壽命也一直是被關注的熱點。而JEDEC最新發布的JEP184指南，就是用於描述基於碳化矽（SiC）功率轉換裝置連續開關模式的新規範。

Butler指出，「其中，碳化矽MOSFET的評估最有挑戰性，也是汽車和工業產業最常被關注的話題。」雖然碳化其擁有快速切換、同時保持高阻斷電壓的優勢，但是這樣的開關特性也存在潛在缺點。進一步理解，因為測量的閾值偏移可能有不同元件構成，可能影響測量的精度。

針對於此，Butler結語，JEDEC最新推出的JEP184指南可為測量程式提供指導方針，用以區分不同的偏移元件，進而提供準確測量碳化矽MOSFET的可靠性。

JEDEC JC-70#半導體#委員會，臺積電、意法半導體、德州儀器都是會員之一。

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