安世半導體，如何贏下第三代半導體市場？

今年6月安世半導體（Nexperia）宣佈了在德國漢堡投資2億美元（約1.84億歐元），開發下一代寬禁帶半導體（WBG），也就是行業熱門的第三代半導體，此舉引發了業界的廣泛關注。

坐擁全球汽車產業的中心地帶，歐洲在化合物半導體領域一直實力雄厚。作為在歐洲擁有豐富悠久發展歷史的全球領先半導體公司，安世半導體的這一戰略投資，顯示出公司正加速在這一炙手可熱的三代半市場的全球佈局，為其在全球範圍內爭奪更大的功率化合物半導體市場份額奠定了堅實基礎。

SiC和GaN半導體市場持續增長

電氣化和數位化浪潮席捲全球，對半導體性能提出了更高的要求。第三代半導體材料SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）正在成為下一代電子裝置的核心。

SiC因具有高臨界磁場、高電子飽和速度與極高熱導率等特點，使得其器件適用於高頻高溫的應用場景，相較於硅器件，可以顯著降低開關損耗。因此，SiC可以製造高耐壓、大功率電力電子器件如MOSFET、SBD等，用於智能電網、新能源汽車等行業。

隨著全球對新能源汽車的加速推廣，SiC的需求呈現爆炸式增長。2022年，歐盟委員會、歐盟議會和成員國達成協議，2035年起使用汽油和柴油燃料的轎車及輕型商用車都將不得在歐盟市場銷售，歐盟在制定全球標準方面發揮著舉足輕重的作用，這一協議將會產生全球性影響，全球電動化處理程序也將會加速推進。

EVTank資料顯示，2023年全球新能源汽車銷量達到1465.3萬輛，同比增長35.4%。展望未來，EVTank預計2024年全球新能源汽車銷量將達到1830.0萬輛，2030年全球新能源汽車銷量將達到4700.0萬輛。受益於汽車電氣化的持續推進，市場對SiC的需求增長明顯，據估算，一台新能源汽車對功率半導體的需求是傳統燃油車的5-10倍。過去5年，特斯拉和比亞迪等OEM的汽車中SiC MOSFET的採用量出現了驚人的增長。

除汽車應用外，光伏風電和儲能成為SiC第二大推動力。根據全球風能理事會（GWEC）發佈的《2023年全球風能報告》，預計未來五年（2023-2027年）將有680GW的新裝機容量，這意味著到2027年每年新裝機容量將達到136GW。

總的來說，“雙碳”戰略正在驅動SiC實現大幅增長。知名分析機構Yole Group在《2024年第二季度功率SiC和GaN復合半導體市場監測》中指出，到2029年，功率SiC器件市場將達到近100億美元。

GaN則因具有高臨界電場強度、高電子飽和速度與極高的電子遷移率的特點，是超高頻器件的極佳選擇，適用於5G通訊、微波射頻等領域的應用。當下，雖然消費應用仍然是推動GaN市場增長的主要動力，但是，汽車和資料中心也正在成為GaN的增長催化劑。GaN技術能夠在電源轉換拓撲中提供最佳性能，並已在一系列要求嚴格的工業自動化、伺服器、計算和電信基礎設施應用中證明了其價值。

由於GaN的帶隙比SiC更寬，因此理論上GaN的效率優勢可能會超過SiC。SiC的開關頻率的絕對上限為約1MHz，而GaN可以提高十倍甚至更高，達到10MHz。因此，GaN HEMT和FET也能夠在汽車半導體市場中佔有一席之地。Yole預計，到2029年，汽車和資料中心這兩大應用有望將Power GaN市場規模提升至24.5億美元。

第三代半導體在電動汽車、新能源和5G通訊等領域展現出廣泛的應用前景。作為全球基礎半導體器件領域的高產能生產專家，安世半導體在功率半導體領域積累了幾十年的深厚經驗。據Yole Intelligence 2023年的研究報告顯示，過去兩年間，安世半導體位列全球功率半導體市場TOP10供應商。憑藉在功率半導體領域的實力積澱，安世半導體正積極佈局第三代半導體技術，迎接未來的廣闊發展機遇！

安世半導體一流的1200V SiC MOSFET 助力電動車向800V過渡

當下，為了克服電車續航里程和充電速度上的兩大短板，電動汽車行業正加速從400V轉向800V的電池系統，在這樣的轉變下，SiC幾乎是唯一且完美的選擇。800V電壓系統需要1200V的耐壓功率晶片，所以1200V的SiC功率器件是業界共同的發力方向。

目前安世半導體已成功研發出具有性能優異的1200V SiC MOSFET，主要分為兩大類：一類是採用3引腳和4引腳TO-247封裝的SiC MOSFET，型號為NSF0XX120L4A0，RDS(on)分別為30mΩ，40mΩ，60mΩ和80mΩ（取決於客戶不同的驅動電壓需求）；另一類是採用越來越受歡迎的D2PAK-7表面貼裝器件(SMD)封裝的NSF0xx120D7A0系列SiC MOSFET產品，有30、40、60和80mΩRDS(on)值可供選擇。

不同規格的RDS(on)以及封裝靈活的SiC MOSFET器件使得安世半導體可以滿足電動汽車OBC、充電樁、不間斷電源以及太陽能和儲能系統等多個汽車和工業應用市場。

雖然這些器件是安世半導體SiC MOSFET產品組合的開山之作，但是他們卻在多個參數上都具有一流的性能。

出色的導通電阻溫度穩定性：RDS(on)，即導通電阻，是SiC MOSFET的一個重要衡量指標，因為它會直接關係到導通功率損耗。安世半導體的兩款SiC MOSFET的RDS(on)與其他供應商的同類額定器件相比，高溫工作環境下的導通損耗更低。

需要強調的是，許多製造商只關注RDS(on)標稱值，而忽略了一個事實，即隨著裝置工作溫度的升高，RDS(on)相比室溫下的標稱值可能會增加100%以上，從而造成相當大的導通損耗，這是目前市場上許多SiC器件性能的限制因素。然而，通過創新工藝技術，安世半導體的SiC MOSFET實現了業界領先的溫度穩定性，在25℃至175℃的工作溫度範圍內，RDS(on)的標稱值僅增加大約30%。

出色的導通電阻溫度穩定性

出眾的綜合品質因數FoM：FoM是衡量功率半導體優劣的一個重要參數指標，該數值越低說明器件總的綜合損耗更小，效率更高。FoM指標由器件的導通電阻RDS(on)和柵極電荷QGD的乘積構成，因此，這兩個數值要越小越好。除了RDS(on)出色的溫度穩定性以外，安世半導體SiC MOSFET的總柵極電荷QG也較低，這有助於降低柵極驅動損耗，提高器件的開關速度。通過最佳化柵極電荷的分佈，器件的QGD/QGS比值極低，有效抑制了寄生導通現象，增強了器件的可靠性。

出色的閾值電壓穩定性：除了正溫度係數外，Nexperia SiC MOSFET的VGS(th)閾值電壓器件間分佈差異極低，這使得器件並聯工作時，在靜態和動態條件下都能實現非常均衡的載流性能。較低閾值電壓差確保高穩健性，從而延長了產品壽命。

低體二極體正向壓降：與競品相比，安世半導體的SiC MOSFET較低的體二極體正向電壓(VSD)有助於提高器件穩健性和效率，同時還能放寬對非同步整流和續流操作的死區時間要求。死區時間內低損耗可防止產生過多熱量，使得設計人員靈活的選擇死區時間。

憑藉這些卓越的工作參數，安世半導體的SiC MOSFET大大提高了光伏，工業電源開關及汽車應用的安全性、穩健性和可靠性標準，為電力電子設計人員提供了其他競爭器件難以匹敵的優勢。

650V級聯GaN 為工業和新能源應用提供可靠動力

早在2019年起，安世半導體就開始了GaN的佈局，公司與歐洲乃至全球的多所大學與研究機構都開展了合作，例如：加入納米電子研究中心IMEC的工業聯盟計畫（IIAP），在GaN技術領域進行了深度交流。

目前，安世半導體是業內唯一可同時提供級聯型（Cascode）和增強型（e-mode）氮化鎵器件的供應商。GaN的產品組合包括支援高電壓、高功率應用的Cascode GaN，支援高電壓、低功率應用的650V e-mode器件和支援低電壓、高功率應用的100/150V e-mode器件。

其中值得一提的是，安世半導體推出了面向工業和可再生能源應用等領域的33mΩ（典型值）、650V的GaN FET（場效電晶體）GAN039-650NTB。該器件採用了創新的CCPAK1212i頂部散熱封裝技術，開創了寬禁帶半導體和銅夾片封裝結合的新篇章。其尺寸緊湊，僅為12×12毫米，封裝高度低至2.5毫米。

CCPAK1212i頂部散熱封裝技術能夠提供出色的開關和導通性能，其穩健可靠的柵極結構可提供較高的噪聲容限。這一特性還有益於簡化應用設計，無需複雜的柵極驅動器和控制電路，只需使用標準硅MOSFET驅動器即可輕鬆驅動這些器件。它為工程師提供了簡單有效的散熱器連接解決方案，相比相同導通阻抗的傳統SMD封裝器件，功率密度提升了30%-40%，堪稱行業的革命性技術。

除了在封裝技術上的創新，安世半導體在GaN器件的拓撲結構設計方面也進行了深入研究。提升開關電源的電能轉換效率以及提高其功率密度一直是電力電子行業不懈的追求。近幾年來，隨著寬禁帶（WBG）半導體的快速發展，推動了圖騰柱（totem-pole）PFC等無橋拓撲的實現。圖騰柱PFC能夠顯著提升電源系統的整體效率，使其在高功率密度和高性能應用中更具競爭力。

其實，無橋圖騰柱PFC在很早以前就被提出，但直到最近幾年才開始正式應用。主要的問題在於半橋結構中矽基半導體功率器件的體二極體反向恢復性能差，恢復較慢(通常數百ns)，工作於CCM模式時會產生較大的電流倒灌脈衝，引起很大的損耗，足以抵消無橋低損耗的優勢，也會提高系統失效風險。為了避免體二極體導通，帶有矽基半導體功率器件的圖騰柱PFC通常工作在CRM或DCM模式下,這使得開關速度極快，沒有體二極體反向恢復問題的高性能GaN功率器件成為CCM模式硬開關無橋圖騰柱PFC的理想選擇。隨著高性能GaN器件的大規模普及，圖騰柱PFC將有機會成為最流行最高效的PFC拓撲。

目前，安世半導體的Cascode GaN器件已經應用於圖騰柱PFC，在實際應用中，安世半導體的650V Cascode GaN器件在開關頻率和效率上表現優異，助力伺服器電源客戶在2.2kw的ACDC電源上實現了鈦金級的能效等級，在半載時的最高效率大於96%。

此外，安世的GaN器件還具備多個技術領先優勢，進一步鞏固了其市場競爭力：

• 較低的反向恢復電荷（Qrr）：安世半導體的GaN器件的Qrr顯著小於超級結（SJ）MOSFET，能夠幫助客戶在橋式電路上輕鬆實現連續電流模式的高頻控制，可以獲得較佳的效率和更高的功率密度。

• 卓越的溫度穩定性：其Cascode GaN的傳輸特性曲線，在高溫下和室溫也無太大差異。非常適用於工業和汽車市場中的大功率產品應用。

• 優異的反向續流能力：此外，Cascode GaN反向續流的壓降比其他寬禁帶器件都更低，因此續流電流能力更強。另外，可以幫助客戶最佳化設計更低的死區時間。

積極佈局8英吋產線，搶佔市場先機

安世半導體通過與京瓷、Ricardo、UAES以及三菱電機等行業領先企業的合作，不斷推動SiC和GaN等寬禁帶半導體技術的創新。公司在漢堡的2億美元投資將進一步加速這一處理程序。得益於研發與生產的緊密結合，安世半導體能夠快速迭代產品，並確保產品設計符合市場需求。首批高壓GaN D-Mode HEMT和SiC二極體生產線已於2024年6月在德國漢堡投產。

對於SiC MOSFET和GaN HEMT等第三代半導體而言，向8英吋晶圓邁進是行業大趨勢。8英吋晶圓相比於6英吋晶圓，具有更高的產能和更低的單位晶圓製造成本，有助於降低產品的成本。安世半導體也計畫在未來兩年內在漢堡建設200毫米SiC MOSFET和GaN HEMT生產線，並開發自己的IP。8英吋產線的建設將為安世半導體未來帶來更大的市場機遇，使其能夠更好地滿足全球客戶的需求。

結語

展望未來，硅、SiC和GaN將在電力生態系統中共存，作為業界為數不多的同時具備硅、SiC和GaN技術能力的供應商，安世半導體在漢堡的投資將進一步鞏固其市場地位。未來，公司將持續推動三代半導體技術的創新與應用，為電動汽車、工業、新能源等領域提供全面的功率半導體解決方案，助力全球實現可持續發展。

Nexperia (安世半導體)

Nexperia（安世半導體）總部位於荷蘭，是一家在歐洲擁有豐富悠久發展歷史的全球性半導體公司，目前在歐洲、亞洲和美國共有14,000多名員工。作為基礎半導體器件開發和生產的領跑者，Nexperia（安世半導體）的器件被廣泛應用於汽車、工業、移動和消費等多個應用領域，幾乎為世界上所有電子設計的基本功能提供支援。

Nexperia（安世半導體）為全球客戶提供服務，每年的產品出貨量超過1,000億件。這些產品在效率（如工藝、尺寸、功率及性能）方面成為行業基準，獲得廣泛認可。Nexperia（安世半導體）擁有豐富的IP產品組合和持續擴充的產品範圍，並獲得了IATF 16949、ISO 9001、ISO 14001和ISO 45001標準認證，充分體現了公司對於創新、高效、可持續發展和滿足行業嚴苛要求的堅定承諾。

Nexperia：效率致勝。

素材來源官方媒體/網路新聞 (芯智訊)