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|數位時代 BusinessNext

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發表演說，探討第三代半導體於電源領域的應用。

已有逾30年歷史的APEC大會，於台灣時間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設備的製造和推廣。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Edoardo Merli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。」

延伸閱讀：白話解析第三代半導體！一張表看懂通吃3大市場的殺手級應用商機

第三代半導體：兼顧減碳、提升電源系統效益

Edoardo Merli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因應而生，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助益；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提出數據，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，這也回應到意法半導體近期宣布的永續發展計畫：承諾在2027年實現碳中和的目標。

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就採用意法半導體製造的碳化矽元件，為電動車轉換電能。Merli表示，對於電動車來說，可以提升電池續航力、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運作效率。

「透過ACEPACK技術，可以在塑膠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，意法半導體擁有集成化的模組封裝產品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。

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導入，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、更優的充電性能；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、高頻率開關性能，同時避免衍生出設計與元件選擇問題。

從德州儀器的數據來看，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發表演說，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運作穩定性、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由不同組件構成，可能影響測量的精度。

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

責任編輯：蕭閔云

以材料工程打造手機殼的循環力

若塑膠要進入循環體系，前提是「材料必須足夠單純」。王靖夫很快意識到，問題不在回收端，關鍵在最開始的設計端。多數手機殼由多款不同塑膠、橡膠件甚至金屬等複合材料組成，無法被經濟化拆解，也難以透過現有流程再製。為此，犀牛盾在2017年起重新整理產品線，希望借鑑寶特瓶成功循環的經驗，擬定出手機殼應有的設計框架。

新框架以「單 1 材料、0 廢棄、100% 循環設計」為核心，犀牛盾從材料工程出發，建立一套循環路徑，包括：回收再生、溯源管控、材料配方、結構設計、循環製程、減速包裝與逆物流鏈等，使產品從生產到回收的每一階段，皆與核心精神環環相扣。

王靖夫表示，努力也終於有了成果。今年，第一批以回收手機殼再製的新產品已正式投入生產，犀牛盾 CircularNext 回收再生手機殼以舊殼打碎、造粒後再製成型；且經內部測試顯示，材料還可反覆再生六次以上仍維持耐用強度，產品生命週期大大突破「一次性」。

另外，今年犀牛盾也推出的新一代的氣墊結構手機殼 AirX，同樣遵守單一材料規範，透過結構設計打造兼具韌性、耐用、便於回收的產品。由此可見，產品要做到高機能與循環利用，並不一定矛盾。

海上掃地機器人將出海試營運

在實現可循環材料的技術後，王靖夫很快意識到另一項挑戰其實更在上游——若塑膠源源不斷流入環境，再強的循環體系也只是疲於追趕。因此，三年前，犀牛盾再提出一個更艱鉅的任務：「能不能做到塑膠負排放？」也就是讓公司不僅不再製造新的塑膠，還能把已散落在環境中的塑膠撿回來、重新變成可用原料。

這個想法也促成犀牛盾啟動「淨海計畫」。身為材料學博士，王靖夫將塑膠問題拆為三類：已經流落環境、難以回收的「考古塑膠（Legacy Plastic）」；仍在使用、若無管理便會成為下一批廢棄物的「現在塑膠（Modern Plastic）」；以及未來希望能在自然環境中真正分解的「未來塑膠（Future Plastic）」。若要走向負排放，就必須對三個路徑同時提出技術與管理解方。

其中最棘手的是考古塑膠，尤其是海洋垃圾。傳統淨灘方式高度仰賴人力，成本極高，且難以形成可規模化的商業模式，因此無法提供可持續的海廢來源作為製造原料。為突破這項瓶頸，犀牛盾決定自己「下海」撿垃圾，發展PoC（概念驗證）項目，打造以 AI 作為核心的淨海系統。

王靖夫形容，就像是一台「海上的掃地機器人」。結合巡海無人機進行影像辨識、太陽能驅動的母船作為能源與運算平台，再由輕量子船前往定位點進行海廢收集：目的就是提升撿拾效率，同時也累積資料，為未來的規模化建立雛形。

從海洋到河川，探索更多可能

淨海計畫的下一步，不只是把「海上的掃地機器人」做出來，王靖夫說：「目標是在全球各地複製擴張規模化、讓撿起的回收塑膠真正的再生利用。」也就是說，海上平台終究要從單點示範，走向可標準化、在不同海域與國家部署的技術模組，持續穩定地把海廢帶回經濟體。

他進一步指出，「其實這套系統不限於海洋，也可以在河川上。畢竟很多海洋垃圾是從河流來的。」未來若能推進到河川與港灣，將塑膠在進海之前就攔截下來，不僅有助於減少海洋污染，回收後的材料也更乾淨、更適合再生，步步朝向終極願景——隨著時間推進，海中垃圾愈來愈少，被撿起、回收後再生的塑膠會越來越多。

「我們已經證明兩件事的可行性：一端是產品的循環設計，一端是 AI 賦能海廢清理的可能性。」王靖夫笑說，塑膠管理命題不只為自己和公司找到新的長期目標，也讓他順利度過中年危機。「選擇改變，留給下一代更好的未來。」他相信，即便是一家做手機殼的公司，也能創造超乎想像的正向改變。