打造無法超越門檻:聚焦第三類半導體 搶攻電動車核心優勢

車用半導體已成全球企業與各國戰略布局關鍵,而積極投入第三類半導體材料與技術研發,將是決定台灣產業核心優勢的關鍵之役。

無庸置疑,電動車(Electric Vehicle)是這個世紀至今最具成長動力,且有潛力顛覆創新現有生態系的產業。早在2021年1月,美國電動車大廠特斯拉市值就超過包括豐田、福斯、通用、現代⋯⋯等十大汽車集團總值;而全球各科技大廠和傳統汽車廠也展開跨業合併與收購,布局交通行動服務(Mobility Service)、車載系統,以及零組件供應等不同戰略位置。

而鴻海集團以全球最大電子製造代工廠的優勢與視野,一方面在2020年號召成立「MIH電動車聯盟」,吸引全球超過2,000家企業投入,從材料、軟體、硬體到系統整合,打造車載系統研發平台;另一方面,也由鴻海研究院半導體研究所擔綱,聚焦於前沿基礎技術研發以及國際學術合作,提供強力支援。

第三代半導體與光達研發聚焦核心價值

鴻海研究院半導體研究所所長郭浩中表示,半導體研究所在鴻海研究院諮詢委員、國立陽明交通大學前任校長張懋中的指導下,從2021年起進行與電動車相關的重要技術研發,一是被稱為自駕車眼睛、簡稱「光達」的感測器LIDAR( Light Detection And Ranging),另一個關鍵技術則是第三代寬能隙半導體(Wide Band Gap, WBG)。

郭浩中指出,目前Level 2等級電動車所配備的先進駕駛輔助系統(ADAS, Advanced Driver Assistance Systems)是否可以順利運作的關鍵,在於內建的感測器。而隨著這幾年自駕功能等級的提升,車用感測器的主力從相機、紅外線、超音波、攝影機改變為毫米波雷達,而如果要達到Level 4等級,需要更高精密的感測器,勢必要採用光達與AI的結合。

光達除了能更精密偵測距離、位置和形狀之外,還可以透過向各個方向照射雷射,捕獲更大範圍的狀況,也就是視野會比現有的技術更寬廣。但在惡劣天候條件下,偵測能力同樣會受影響,且與目前最常用的毫米波雷達相比,成本相對昂貴許多,這些正是必須透過技術研發來突破的關鍵問題。

解決電動車產業發展三大痛點

另一個關鍵技術則是世界各國競相投入的兵家必爭之地:第三代半導體,或稱為化合物半導體。

鴻海研究院院長、鴻海科技集團董事長劉揚偉說明,目前電動車研發有三大痛點,分別是充電時間太長、電池續航力不足,以及售價太高。而要解決電池與成本過高的問題,都必須回到基礎問題,也就是半導體的效能與功能。

回過頭來看半導體的發展,過去依循摩爾定律的發展幾乎已到物理極致,鴻海研究院諮詢委員張懋中表示,要繼續維持半導體的成長,可以從效能擴張與異質功能整合著手,而效能與功能都可以從材料著手。

半導體材料演變,從第一代的矽、第二代的砷化鎵(GaAs)/磷化銦(InP)、演進到如今以氮化鎵(GaN)及碳化矽(SiC)為主的化合物半導體。第三代寬能隙半導體(Wide Band Gap, WBG)材料提升更高的操作電壓,產生更大的功率,並且降低能損,與矽元件相比,體積又可大幅縮小,正好符合電動車、5G通訊與再生能源等相關應用的需求,不僅大廠爭相投入,全球先進國家幾乎毫無例外,都將其視為發展戰略重點。

產學界投入碳化矽、氮化鎵元件研發

由於化合物半導體耐高壓、耐高溫的特性,「愈高壓愈能省電、充電速度變快,」郭浩中指出,這正好能夠解決電動車充電時間太長、電池續航力不足的問題,所以投入第三類半導體的研究與製造,將成為未來電動車市場的致勝關鍵。

根據全球市場研究機構TrendForce調查,2025年,全球碳化矽半導體元件市場規模將達33.9億美元(約940億台幣),其中新能源車相關應用約占61%。郭浩中從電動車最重要的「三電系統」分析,也就是電池模組、電驅系統以及電控,其中電驅系統就是功率半導體。若由成本結構來看,整台車當中,電池占比最高,約占三分之一至40%,半導體占30%,可見半導體的重要性。

而第三類半導體中最常被提及的碳化矽和氮化鎵元件,各有不同特性。與碳化矽比較,氮化鎵具有更高的介電強度和更高的電子遷移率,因此各項指標都大於碳化矽,顯示氮化鎵功率元件具有優異性能。所以利用氮化鎵材料作為電力電子元件的基板不僅限於學術界,許多微電子領域的大公司也在投資研究氮化鎵解決方案。

鴻海最大優勢,就是背後有龐大的出海口,從先進技術研發、產品設計與量產,再加上出海口,這條路打通,對台灣產業是非常大的機會。

有效降低成本可大幅加速商業化

以氮化鎵為材料的電力元件,市場規模從幾年前僅千萬美元,成長到2020年近140億美元,且在整體化合物半導體裝置占比已超過42%,預估 2025 年可達到181 億美元規模,複合年均成長率預估5.6%,前景十分令人看好。

從應用面來看,氮化鎵應用包括變頻器、變壓器與無線充電,為國防、雷達、衛星通訊與無線通訊基地站等無線通訊設備的理想功率放大元件。

而氮化鎵當前最大的挑戰在於開發成本依然太高,透過學術跟產業界的互補結合,從氮化鎵晶體成長,到光學設備研發,再到能源及無線傳輸,都需要有更多創新應用上的突破。特別是,如果成功研發出降低氮化鎵元件成本的技術,將能夠大幅加速商業化應用的進程。

整體而言,隨著電動車產業的普及與發展,市場對高效能電源管理的需求將隨之成長,因此國際半導體大廠、晶圓廠、代工廠等無不積極投入第三類半導體相關產品及技術發展。郭浩中表示,鴻海最大優勢,就是背後有龐大的出海口,「從先進技術研發、產品設計與量產,再加上出海口,這條路打通,對台灣產業是非常大的機會。」

結合既有優勢布局新世代的關鍵契機

機會,來自於兩個方向。郭浩中指出,過去台灣汽車產業無法突圍而出,原因在於燃油車所需要的引擎、傳動軸等機械零件並非台灣企業強項,但是「電動車像是裝上輪子的手機,」挾著資通訊王國的經驗與強大製造能力,台灣已經先立於不敗之地。

再來,則是台灣長期累積第一類半導體的成功經驗,供應鏈完整且穩定,無論是製程、良率都很難被其他國家超越,若能將這樣的經驗快速移轉到第三類半導體的製造,將會比其他國家更快掌握優勢。

放眼長期發展,鴻海研究院已經與耶魯大學、香港城市大學與陽明交通大學合作,共同投入氮化鎵元件研發,並與工研院專案合作開發碳化矽模組。郭浩中說,若以電動車領域而言,等於從第三類半導體材料,到中下游的模組與整車都能做,進一步發展成為IDM(垂直整合製造廠),將使得電動車生態系發展更為完整,也是台灣半導體產業拉出下一條成長曲線的絕佳機會。

⊕本文選自鴻海研究院2021年鑑

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