功率半導體元件與散熱技術：材料世界網

劉燕妮 / 工研院材化所；蔡尚華 / 威力富公司

功率半導體作為電子元件的「心臟」，專責電能轉換與驅動，在綠能、電動車及AI資料中心扮演關鍵角色，在未來無人載具、伺服器等應用的情境下，聚焦於高電壓運作下的散熱解決方案，寬能隙半導體如：碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)寬能隙材料越益普及，但隨應用功率增加，散熱技術的導入日益重要，開發中的散熱材料與方法包含：QST基板、基板減薄法、SiC功率元件、金屬基複合材料載板（如：銅鎢複材、銅碳化矽複合材料、銅鑽複合材料等），本文進行整理與撰文說明。功率半導體元件於執行大電力(>1.2 kV)的運作下，需要改善元件特性及散熱問題，因此基板材料由傳統的矽半導體擴展為寬能隙（GaN、SiC）半導體基板、使用QST (Qromis Substrate Technology)基板、基板減薄以減少熱阻、碳化矽的MOSFET強化元件性能與散熱、元件封裝用高性能金屬基複合材料等等，提供更多的選擇與應用，預期更多散熱材料及技術的導入，未來將會有更蓬勃的發展。

【內文精選】

GaN、SiC功率半導體元件簡介

功率半導體是用於控制電力流動、調節功率、將功率轉換為不同位準並允許高效切換的裝置，用於電動車、高效能馬達控制、光伏功率轉換系統、工業自動化、電網基礎設施和儲能等許多電子系統。大功率系統用的功率半導體是能夠支持高電壓、大電流的半導體，在使用高電壓、大電流時也不會損壞。

傳統矽基的元件因為能隙較小(1.12 eV)，故僅適合於中、低電壓應用，如：矽基場效電晶體(FET)結構的耐壓≦1,000 V；而隸屬於化合物型的半導體-氮化鎵(GaN)及碳化矽(SiC)能隙分別為3.26 eV、3.4 eV，耐壓性較高，具有高擊穿電壓特性，可應用於中、高電壓情境，因此新型寬能隙SiC和GaN功率裝置可在更高的環境溫度、更快的切換速度和更高的電壓下運作，可高達6.5 kV；此外，寬能隙的功率半導體具有多種優勢，包括更高的能源轉換效率、更快的切換速度、精巧的尺寸和更好的熱管理，可提供更好的功率控制、減少能量損失、增強系統效能，即提高應用系統的能源效率和整體可靠性，因此在大型功率用的AI伺服器、電動車、機器人的寬能隙功率元件更顯重要。

圖一、全球GaN與SiC功率元件的市場分析

圖一為全球GaN與SiC功率元件的市場分析，結果顯示市場成長快速，預計到2026年，市場規模將從2025年的18.5億美元成長至23.1億美元；到2030年，市場規模將達到54.5億美元；複合年增長率(CAGR)高達24.0%。預測期內的主要趨勢包括：高效寬能隙功率元件的廣泛應用、智慧功率轉換平台的擴展、物聯網半導體監控技術的發展、人工智慧輔助電源管理系統的進步以及雲端連接功率電子技術的整合。

圖二、台灣寬能隙功率半導體的產業鏈

依據資策會分析台灣寬能隙功率半導體的產業鏈如圖二所示，現有寬能隙功率半導體的產業鏈，台灣具有生產製造能力，由基板、元件設計、磊晶、元件製作及應用等都已具完整的供應鏈，但於生產前端的產品設計較為缺乏。功率半導體前端的設計包含：系統、模組、元件等不同層級的電路開發設計與模擬、驗證，透過系統需求制訂規格、模組的電路設計、熱與機械分析，並進行元件製作與組裝驗證，如圖三所示。矽基板做為GaN元件的異質基板的優勢在於價格便宜，因此較普及，只是用於高壓應用的性能不足 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。