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ST第三代碳化矽技術問世 瞄準汽車與工業市場應用
 

【作者: 王岫晨】   2022年03月14日 星期一

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電源與能源管理對人類社會未來的永續發展至關重要。意法半導體汽車和離散元件產品部(ADG)執行副總裁暨功率電晶體事業部總經理Edoardo MERLI說明,從圖二可以看到由於全球能源需求正在不斷成長,我們必須控制碳排放,並將氣溫上升控制在1.5度以下,減排對此非常重要,但要實現這些要有科技的支援,包括可再生能源的利用,ST對此也有制定一些具體的目標。



圖二
圖二

圖三顯示的是一些關於如何利用電力科技實現各種節能目標的具體資料,圖中是對全球電力消耗狀況的統計。僅就工業領域來說,如果能將電力利用效率提升1%,就能節省95.6億千瓦時(TWh)的能源。那麼這意味著什麼呢?舉個直觀的例子,這相當於我們節省了15個核電站的發電量、減排3200萬噸二氧化碳,或者是數千桶的石油。



圖三
圖三

可以看到僅僅是工業領域對電力利用效率的提升就能夠有如此驚人的節能效果。永續發展一直是根植於我們企業文化的核心理念,ST早就宣布在2027年成為一家永續發展的企業,也就是在2027年實現企業的碳中和。



圖四
圖四

圖五顯示的是ST企業的發展目標,剛才提到ST要在2027年實現碳中和,這也與2021巴黎協定確立的2025年將升溫控制在1.5度以下的目標相符。ST非常希望,也在致力達成此一目標,這將透過利用可再生能源來達標。我們要在2027年降低電力消耗,目前我們正在積極參與和投身一系列相關項目和合作計畫,進而達成此目標。



圖五
圖五

以上是向大家介紹一些背景資訊,下面來看ST的優勢(如圖六)。ST擁有多項新能源科技,比如寬能隙技術已經催生出一系列相關應用,幫助我們達成之前提到的目標。剛才也提到,功率技術對達到高效應用與節能降耗扮演著關鍵作用,其中的重點就是碳化矽和氮化鎵這兩種新材料,如圖所示,它們相較普通矽材料具備更好的效能。寬能隙半導體擁有運作電壓高、開關速度快、運作溫度高、導通電阻低、產生熱量少、耗散功率低、效能高這些優勢,節能效果非常出色。由於兩種技術各有不同特點,各自的應用情境也有所不同。



圖六
圖六

透過圖七,大家應該會對碳化矽與氮化鎵各自對應的應用需求有一個更加清晰的概念,主要是功率利用和開關頻率。可以看到碳化矽與氮化鎵導體能夠滿足的需求略有不同,簡單來說就是帶來更強的功率。碳化矽能夠提升開關頻率,而氮化鎵消耗的電能更少。這項技術與現有的矽科技能夠形成互補,不過功能上也有些許重疊,今後將會不斷優化和完善。剛才講到碳化矽與氮化鎵催生了一系列新的應用,也帶來了一些新的限制,這些都需要我們加深瞭解並突破。



圖七
圖七

接著來看整條電力轉換鏈(圖八),從發電側開始,經過輸配電、儲電和變流,再到最終的用電側也就是終端使用者。毫無疑問,以碳化矽和氮化鎵為主的全新電力技術能夠在整條電力轉換鏈的各個環節發揮作用,做出卓有成效的貢獻。



圖八
圖八

圖九顯示的是兩種材料的屬性,這些材料能夠用於更高級別的功率技術應用,這些技術用過去的矽材料是無法實現的,當然也能夠透過全新的拓撲帶來驚人的功率利用效率,這些都會形成終端應用的優勢。



圖九
圖九

圖十是對碳化矽應用優勢的重點摘要,涵蓋領域包括汽車製造、工業應用等,許多優勢對終端使用者都是顯而易見的。


以電動汽車製造為例,碳化矽可用於製造牽引逆變器、充電樁、DC-DC轉換器等配套設備,這些能夠帶來更長的行駛里程、車輛自重的減輕,這些都是使用者在使用過程中可以直觀感受到的。除此之外當然還有性能更強的電動汽車充電站,碳化矽能夠加快充電速度,縮短充電時間,進而促進電動汽車的推廣和普及。



圖十
圖十

碳化矽的工業應用還包括提升伺服器和資料雲端記憶體的供電效率,最終降低使用者整體成本,此外還可應用於自動化的工業驅動馬達製造,碳化矽能夠讓設備體積、尺寸和重量減小,最終同樣會降低使用者整體成本,而在可再生能源、太陽能電站、風車和伺服器供電站等領域也有同樣作用。可以說碳化矽在工業和汽車製造領域的應用擁有以上三大優勢,但它的應用情境並不僅限於此。


圖十一可以看到碳化矽正在逐步獲得採用,雖然還未進入大規模量產階段,但我們已經與許多企業展開合作,也就是說ST正在對基於碳化矽的應用展開系統性的研究、引進和建模。碳化矽多數應用於短距飛機逆變器的製造,因為這類飛行器屬於無人機和飛機的混合體,但這種材料也被應用於長距飛機的製造。因此碳化矽不僅在汽車製造領域廣泛應用,航空領域也是如此。



圖十一
圖十一

我們再來看汽車製造領域(圖十二),電動車採用馬達作為動力來源可以說是一項重大變革,也是一整套全新的動能系統。這套系統不會產生二氧化碳排放,有著更高的功率,能夠在更低的氣溫下運行,車身重量也減少了。而且製造電動車相較內燃機車更加簡易,這讓整個汽車製造業發生了動盪,也為許多跨界從業者帶來了進入市場機會。



圖十二
圖十二

圖十三顯示的是一系列的長期目標,許多國家和地區都在引進電動車,或者聲稱自己將會引進,但具體的計畫略有不同。美國計畫2030年電動車市佔率達到50%,歐洲37.5%,中國更有野心一些。目前中國電動車市場已經是世界第一,因此將目標定在2025年。



圖十三
圖十三

歐洲和美國的境況略有不同,因此目標也不一樣,比如加州和英國設立的目標。當然,設立電動車長期目標不只有國家,汽車製造商也宣布自己雄心勃勃的目標,並不遺餘力地去實現。這些廠商包括通用汽車、富豪、吉利等,中國還有許多早就在此領域佈局的廠商,比如比亞迪,以及理想、小鵬、蔚來這些市場新秀,市場一片生機盎然的景象。


圖十四顯示的是組成電動車最重要的運行系統,包括各種類別電動車、新能源車、新動能車的二氧化碳減排等級。48瓦的低電耗是這些車輛零排放的主要原因,節能幅度大約可達15%~20%。整套架構下還有一些大型汽車製造商正在採用的技術,但目前仍然受到來自產業本身或多或少的限制。



圖十四
圖十四

圖十五是動力總成(TAM),透過這張圖能夠瞭解節能技術的重要性,特別是半導體技術,包括這項技術正在發生的變化,這些新材料在未來幾年將發揮重要作用。全新的功率技術2020年僅佔市場40%,但到2025年就會超過50%,其中碳化矽的比重更是高達這50%的1/4,相較2020年已經有了大幅的提升。我們在碳化矽應用領域一直衝鋒前陣,包括ST的美國合作夥伴。我們2017年就已大規模量產,雙方合作非常順暢,規模亦是不斷擴大。



圖十五
圖十五

再向大家介紹一下碳化矽逆變器相比IGBT逆變器的優勢(圖十六),包括總晶片面積、開關損耗、總損耗和接面溫度,更妥善的溫度管理、充電速度的明顯提升等等。


再看右邊的圖表,以ST的解決方案為主要參數作為參考。這是一個210千瓦的牽引逆變器,供電為10kHz和1200SiC MOSFET,與IGBT解決方案進行比較。可以看到碳化矽相較IGBT所獲得的優勢,特別是在最常見的應用領域,正如圖中灰色區域顯示的低負載僅90%,因此在效率上有明顯的優勢,這些性能也會轉化為更長的行駛里程。



圖十六
圖十六

圖十七是ST自有技術和產品,目前已經擁有第三代碳化矽技術,大部分已經處於生產階段。對這項技術的研究最早可追溯到25年前,而這項技術現在已經發展到了第三代,而且已經量產,下面會向大家說明這些技術在每一代的改良與進展。



圖十七
圖十七

我們想在這裡強調的是,每當ST邁向下一個技術時,都會進一步改良主要的優勢,然後擴大技術的應用範圍,並針對某些特定應用情境展開客製化設計。大家可以看到我們的產品家族成員已經非常多元,不斷有新的功率技術誕生。除了650-1200V的第三代技術,我們還有高達2200V的高功率產品。


圖十八是ST最新相關新聞稿,包括一些創新成果和新推出的技術,此外非常重要的還有我們可靠的生產製造發展策略,這是支撐龐大生產的關鍵。



圖十八
圖十八

圖十九是ST的兩大產品優點:RDS(on) x 晶片面積和RDS (on) x Qg,可以看到每次技術升級的過程中這一優勢都會得到優化,優化幅度大約20%-25%,這會大幅提升性能和大幅降低成本。



圖十九
圖十九

圖二十是ST在碳化矽應用領域的市場地位的重點摘要,擁有著相當高的市佔率,去年的市佔率已達50%,汽車領域甚至達到60%。ST的執行長 Jean-Marc Chery曾經說過,ST的目標是2024年在碳化矽領域達10億美元的年營收,包括電晶體、二極體和功率模組。我們希望與各行各業進行合作,包括所有汽車製造和工業界的一線OEM廠商,目前已有超過90個專案正在與這些產業領導企業共同合作。



圖二十
圖二十

剛才提到ST已經推出第三代碳化矽技術,第四代技術也將推入市場,預計今年年底就會獲得資格並上市。當然,我們致力於研發的不只是碳化矽技術,也有深度參與許多其它晶圓的研發。為了充分發掘和發揮碳化矽、氮化鎵的性能優勢,我們同樣需要探索許多類型的前沿理念和技術。圖中展示的就是一些例子,包括混合元件和大型元件。圖中展示碳化矽技術在各種應用情境中的優勢,包括損耗降低、頻率提升、成本降低、尺寸、重量和體積的減小。


圖二十一說明ST圍繞碳化矽這些新興技術發展策略的其它要點,剛才講過這一市場正處於蓬勃發展階段,各位也看到了這項技術的優勢和豐富的應用情境,這也能夠解釋市場需求正迅速增加。


對於碳化矽這樣的新興技術來說,掌控甚至擁有自己的一整套產業鏈是非常重要的,ST也做了很多操作。目前我們已經透過收購Norstel AB(已更名為ST SiC AB)完成建立生產線。我們亦有製造碳化矽基材並設立多家工廠,不斷擴充規模,進一步整合生產鏈,以進一步提升製造能力。義大利卡塔尼亞作為我們的重點基地之一也讓我們的生產能力獲得大幅度提升,我們在新加坡的生產線規模更是翻倍,目前我們正準備將生產線從6吋改造為8吋。我們還有在摩洛哥布斯庫拉和中國深圳的基地作為後段工廠。深圳是我們進行相關封裝的主要工廠,為領先的企業提供規模化的封裝。



圖二十一
圖二十一

我們的碳化矽產能到2024年將比2017年提升10倍,而從2024年到2027年規模也將進一步擴充,發展空間巨大,我們建立這些大型工廠的目的就是滿足市場的需求、支援ST自己的發展。


剛才講過碳化矽技術目前仍然處於雛形階段,因此仍然有許多領域需要我們進一步探索和改良(圖二十二)。首先是晶圓原材料的高成本,目前我們已經在與許多合作夥伴開展技術研發試圖解決這一問題。其次是外延成本,我們也在努力透過品質改善解決,但這涉及到整個生產鏈的各個環節,因此需要未來開展更多的運作。


可以說這也是我們將外延層納入自身整個產業鏈的原因之一,不只是為了控制成本和產量,也是為了提升產品品質。剛才提到ST已經進行8吋生產線的升級,我們的第一批8吋原型也已經誕生於ST SiC AB。目前我們打算在外延工廠導入自動化技術優化生產流程,進而提升自身生產製造的彈性以滿足市場需求。



圖二十二
圖二十二

當然,我們在碳化矽應用領域取得的成功並非從天而降,二十五年前我們就在研究這項技術(圖二十三),充分利用卡塔尼亞的技術生態系統,並與義大利國家科研委員會、卡塔尼亞大學共同研究這個新材料,透過對這項技術本身,生產流程、生產設備的一系列改良,不斷提升產品品質和可靠性,最終獲得了今天的成果。



圖二十三
圖二十三

接著介紹PowerGaN這項技術(圖二十四),之前大家已經看到氮化鎵與碳化矽以及其它矽材料的比較,包括在功率需求、開關頻率層面的性能,今天我們已經完成了原型開發。實際上我們對這項技術共有兩個發展方向:一個叫做D-MODE,其應用於G-FET、Gascode這了變流器,另一個是整合於同樣應用中的G-DRIVE,目前已經進入市場。我們G-HEMT變流器,功率為650V,可以滿足大部分市場需求,100V產品也會催生一系列應用。



圖二十四
圖二十四

下面是關於ST碳化矽技術的最新新聞稿(圖二十五),最近我們也已推出PowerGan解決方案,大部分是針對消費性產品的解決方案。



圖二十五
圖二十五

圖二十六可以看到這些技術的具體應用情境,包括ST將碳化矽、氮化鎵與傳統矽材料解決方案進行比較後的優勢。可以看到這種材料大小只有過去材料的1/4,重量只有1/3,功率提升50%,功率損耗降低20%。我們也對這些技術進行整合,催生一系列新的應用,包括針對終端消費者推出的各種應用組合。大家可以看到在此過程中我們技術的進化,多元的應用正在被導入市場。



圖二十六
圖二十六

圖二十七有一個應用列表,透過不同的顏色來做更詳細的分類。大家應該還記得之前的產品發展藍圖,其中包括不同種類的解決方案和應用情境。氮化鎵在汽車領域也在獲得越來越多重視,包括在車輛充電系統的應用。我們也有提供基礎轉換器,雖然並未整合到整個系統。



圖二十七
圖二十七

圖二十八呈現的是ST產品策略的核心:我們在此領域也有開展一些併購,包括法國創新型企業EXAGAN,其中G-FET、G-Drive和D-Mode這些產品就是源於這間公司。我們也與台積電合作,進而讓我們提前推出許多內測科技產品,透過台積電快速地推入市場。我們的最終目標是完善我們的內測技術,最終服務於我們清晰明確的產品策略。


目前我們針對氮化鎵產品已經有完整的規劃,100V到650V各類產品將會陸續推出,這些都會透過ST 8吋工廠生產。我們在卡塔尼亞也有一條GaN-on-Si RF生產線用於生產氮化鎵產品,大部分都是針對5G和6G基礎設施的應用。



圖二十八
圖二十八

毫無疑問,功率技術是ST的核心所在,甚至能夠影響人類社會的未來。除了傳統的IGBT、MOSFET技術,我們將更多的全新科技推入市場,因為這些科技讓我們和使用者獲得更高的能源利用效率,進而減少能源流失,達到節能的目標。汽車和工業已成為碳化矽的首要應用領域,我們也已進入大規模量產階段。我們目前處在這一市場的領導者地位,正在引領碳化矽的應用。我們也在持續不斷地在新興科技和生產線改良,以因應對未來巨量、不斷成長的市場需求。氮化鎵在市場上大規模普及可能會再晚一些,因為要等到技術成熟,但碳化矽已有非常廣泛的應用範圍。我們已在碳化矽市場獲得領導地位,未來也會朝著這一方向不斷探索。



圖二十九
圖二十九
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