功率半導體

2022年台灣自主設計晶片成品產業(晶片設計+記憶體)產值為1.467兆，是一個大型產業。其中，裡面很多細分產業，這邊就來簡單介紹一下功率半導體。因為電動車興起，冷門的功率半導體又重新被關注。

功率元件市場概況

半導體是一種導電性介於導體和非導體之間的元素和化合物，如矽、 鍺、碳化矽、砷化鎵等，利用其導電性可受控制的特性改變半導體的電容， 製成各種半導體元件，因半導體擁有體積小、重量輕、結構牢固及效率高等特性，故為半導體被廣泛的運用在各式電子產品中。根據世界半導體貿易統計組織(World Semiconductor Trade Statistics；WSTS)的統計分類，可將半導體市場區分為分離式元件(Discrete)、積體電路(Integrated Circuit； IC)、光電元件(Optoelectronics)以及感測元件(Sensors & Actuators)等四大類。以2021年為例，IC市佔率為83%(其中邏輯晶片Logic佔27.9%，記憶體Memory佔27.7%，微處理器Micro佔14.4%，類比Analog佔13.3%)，分離式元件Discrete市佔率為5.5%，感測器佔3.4%。

半導體中之功率半導體(亦稱功率元件)為電子產品之重要零組件，主要係對電能進行直流或交流變換、控制、穩定等技術，隨著電力需求增加及節能意識抬頭，下游產品對電能轉換效率、穩定性及高功率等條件提出更複雜之整合需求，而功率元件能夠乘載之電壓範圍較廣，且產品設計彈性高，故與電力使用效率相關的電力電子技術中，越來越受重視。

功率元件市場成熟且穩健，在技術水平與生產良率持續提升 下，以及元件整合，使產品應用領域逐漸拓展，主要成長動能除傳統之各式電腦、通訊傳輸及消費性電子等電子製造業需求外， 新興應用市場如新能源汽車、太陽能及風電等再生能源、雲端5G等亦帶來巨大之需求缺口。

目前功率半導體主要應用於以下各領域： 

 汽車電子：遙控裝置、開關、煞車防鎖死裝置(ABS)、氣囊裝置(Air Bag)、電動車、 電聯車等。 

 資訊電子：電腦主機板、硬碟機、印表機、顯示器、可攜式電腦、手機、電池充電器等相關方面之電源轉換電路。 

 家電用品：馬達驅動變頻器、照明變頻器、冷氣變頻器、TV 等。 

 電廠：變頻器。 

 照明系統及燈具。 

 工業用途：不斷電設備等。

功率半導體之種類可劃分為三大類：功率離散元件（Power Discrete）、功率積體電路（Power IC；Power Integrated Circuit）及功率模組（Power Module）。其中功率積體電路Power IC主要分為電源管理晶片PMIC，電池管理IC，DC-DC ，LDO.....。功率離散元件產品包含閘流體(Thyristors)、整流器(Rectifiers)、二極體(Diodes)及功率電晶體 (Power Transistors)。而功率電晶體(Power Transistors)主要包含金氧半功率場效電晶體 （Power MOSFET；Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors）、絕緣閘雙載子功率場效電晶體（IGBT；Insulated Gate Bipolar Transistors）及雙載子接面電晶體 （Bipolar Power Transistor）等。功率模組（Power Module）主要是IGBT功率模組。以下是簡單介紹:

功率積體電路IC

功率積體電路主要功能為能量的驅動、控制與管理，產品面包括放大器(Amplifier)、 馬達驅動 IC(Motor Driver)、電源管理(Power Management)、電壓調整 (Voltage Regulator)、訊號界面(Interface)等等。而應用的產品範圍包括資訊產品，如主機板、NB、繪圖卡、LCD顯示器、光碟機等......。

金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)

MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor)是一種可以廣泛使用在電路的場效電晶 體，利用閘極的偏壓在MOS電容的半導體和氧化層介面處吸引導電載體形成通道，閘極偏壓改變則通道載體跟著改變，此電晶體為目前數位積體電路用得最多的電晶體，主要應用於 PC、行動電話及可攜式產品、車用、照明用之電源控制系統。

電晶體(Transistor)

以雙極性接面型電晶體(Bipolar Junction Transistor， BJT)為主，能夠放大訊號，並且具有較好的功率控制、 高速工作以及耐久能力，常用來構成放大器電路或驅動揚聲器、電動機等設備，廣泛應用於航空航天工程、 醫療器械和機器人等應用產品。

IGBT 

IGBT是由雙載子接面電晶體 (BJT) 和MOSFET組成的複合式半導體功率元件。兼有MOSFET的高輸入阻抗和BJT的低導通電阻兩方面的優點。IGBT驅動功率小，非常適合應用於直流電壓為600V及以上的變流系統，如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動，電動車等。

二極體(Diode)

以蕭特基二極體、整流二極體與開關二極體為主，蕭特基二極體是利用金屬-半導體接面作為蕭特基勢 壘，以產生整流的效果，和一般二極體中由半導體-半導體接面產生的P-N接面不同，蕭特基勢壘的特性使得蕭特基二極體的導通電壓降較低，而且可以提高切換的速度；整流二極體在電子電路中扮演整流、穩定電壓等功能，開關二極體則為具有開關功能的二極 體，能順向施加電壓後讓電流流動(ON)，逆向施加電壓停止電流的流動(OFF)。

以市佔率而言，功率半導體約佔全球半導體市佔率約9-10%。其中，功率積體電路Power IC佔功率半導體產值55.78%，功率離散元件Power Discrete佔功率半導體產值32.03%，功率模組Power Module佔12.19%產值。

在功率積體電路Power IC方面，功率積體電路Power IC主要分為電源管理晶片PMIC，電池管理IC，DC-DC ，LDO.....。其中，電源管理晶片PMIC佔功率IC產值22%，DC-DC佔18%，電池管理IC佔功率IC產值15%，LDO佔12%.....。

在功率離散元件Power Discrete方面，功率離散元件Power Discrete主要分為包含閘流體(Thyristors)、整流器(Rectifiers)、二極體(Diodes)及功率電晶體 (Power Transistors)，SiC元件，GaN元件。其中，功率電晶體 (Power Transistors)佔功率離散元件Power Discrete71%(MOSFET佔功率離散元件57%，IGBT佔功率離散元件10%，BJT佔3.7%，SiC元件，GaN元件佔功率離散元件2%)，二極體佔24%，閘流體(Thyristors)佔2%。

在功率模組Power Module方面，IGBT功率模組佔功率模組Power Module82%。

根據Yole Developpement統計指出， 2019年全球功率半導體市場規模約為175億美元，預計於2025年將達到225億美元，年均成長率為4.3%。若以終端應用分別檢視，電動車、車用電子及工業用之功率半導體成長幅度最大；其中，在各國政府祭出節能政策以減少二氧化碳廢氣排放， 直接加速傳統燃油汽車業者向電動車、混合能源車轉型，帶動汽車產業鏈電動化程度提升。除電動引擎、馬達、儲能電池、電源管理及輔助車用電子等新能源車基本必要配備，亦包含電機變頻裝置、電壓轉換穩定、高壓電流輔助驅動裝置、車載充電器(OBC) 及油電電控系統等高端汽車功率系統需求，故車用電子及電動車零組件將為功率半導體市場成長之一大動能；另由於對能源使用效率越趨重視，又因功率半導體在工廠自動化、智能製造及節能工具等產業升級過程貢獻卓越，使工業用功率半導體需求同步成長。

功率離散元件廣泛應用於幾乎所有的電器和電子系統，如汽車、消費電子、工業自動化等。從應用細分來看，功率離散元件應用於大約29%應用於工業，28%應用於汽車，15%應用於通信，消費性佔13%，電腦佔10%，軍事/航空佔5%。

在電源管理IC市場，預估113年將成長為213億美元。受到全球新冠疫情衝 擊帶來宅經濟效應，世界各國紛紛實施封城與保持社交距離，疫情對民眾習以為常的生活習慣、工作、學校教育帶來巨大改變，居家辦公、遠端視訊與線上教學的需求，無論是平板、筆電或伺服器等，加上5G搭配Wi-Fi 6的應用快速擴張如基地台建置，在追求輕薄短小、低功耗、持久性的終端需求研發路徑，新一 代電子產品、工業、汽車應用等將提升對電源管理的需求量與效能要求，促使電源管理晶片成長態勢漸受廠商青睞。電源管理IC應用領域最主要為消費性與通訊占近50%；第二大應用則是工業，緊追在後的則是車用與交通應用市場。

功率元件產品目前以高功率、高性能、高散熱為技術發展主軸，並朝各元件間整合及微型化為市場發展趨勢。近年來產品應用於能源系統與車用將有大幅成長，材料基礎特性的提升與結構的進化成為兩大關鍵影響因子。在材料基礎特性提升方面，目前市場上朝矽(Si)至碳化矽(SiC)及氮化鎵(GaN)的新材料開發，由於矽之高頻高溫特性不如碳化矽及氮化鎵，因此在因應未來高功率應用的需求，後兩者將逐步取代前者。此外，碳化矽及氮化鎵兩項寬能隙材料，除了可符合高電壓、大電流的要求，也有助於元件微型化。

市佔率

全球功率半導體市場之供給主要可分為垂直整合(IDM)廠及無廠半導體設計公司製程委外代工等兩種模式，市占率以國際IDM廠佔據領先地位，並以歐、美、日系廠商為主，近年變化幅度不大。由於功率半導體市場係一技術及資金密集之產業，且國際大廠佔供應市場之大宗，故其市場策略與營運布局將左右整體市場之供需平衡。而因應電動車、車用電子、工業應用、5G通信等高端應用需求，及碳化矽(SiC)及氮化鎵(GaN)等第類代半導體材料演進取得明顯成果，上述大廠已逐漸退出中低壓市場，轉往發展高毛利、進入門檻較高之高壓領域及整合元件產品。以下是個別市佔率:

Power IC:2021市佔率前10家公司為Texas Instruments15.3%，Analog Devices11%，Infineon9.5%，Qualcomm7.9%，Renesas5.6%，STMicro5.4%，Mediatek5.1%，onsemi4%，NXP3.7%，Monolithic Power3.1%。

Discrete Power MOSFET:2021市佔率前10家公司Infineon26.2%，onsemi10.8%，STMicro 9.6%，Toshiba6.4%，Renesas4.8%，Vishay4.5%，Alpha & Omega4.5%，China Resources4.0%，Nexperia3.7%，Hangzhou Silan3%。

Discrete IGBTs:2021市佔率前10家公司為Infineon28.9%，Fuji Electric15.2%，Mitsubishi9.2%，STMicro8%，onsemi 6%，Toshiba4.5%，Littelfuse 4.2%，Hangzhou Silan3.5%，Renesas3.5%，MagnaChip3.1%。

IGBT modules:2021市佔率前10家公司為Infineon33%，Mitsubishi12.4%，Fuji Electric11.4%，Semikron6.6%，Vincotech3.6%，Starpower3%，Bosch2.6%，Danfoss2.6%，Hitachi Power2.6%，CRRC Times2.0%。

SiC: 2021市佔率前為STMicro40%，Infineon22%，Wolfspeed14%，Röhm10%，onsemi7%，Mitsubishi2% .......。

Power discretes and modules:2021市佔率前10家公司為Infineon19.7%，onsemi7.5%，STMicro 6.6%，Mitsubishi5.2%，Fuji Electric4.3%，Toshiba4%，Vishay3.6%，Renesas2.5%，Nexperia2.4%，Rohm2.4%。

製程與特性

功率半導體元件與一般積體電路的生產程序類似，但在技術平台開發上實屬不 同。一般積體電路是由晶圓廠提供標準製程，IC 設計公司依該製程去設計電路與佈局。所以相同標準製程不同IC設計公司可以依不同電路設計出功能迥異的產品，滿足不同的應用需求。而功率半導體產品，其製程技術需由產品設計公司與晶圓廠合作開發，如一般晶圓廠甚至無相關生產製程，此時須由產品設計公司提供基本製程，晶圓廠去配合執行再依產出結果去調校，待製程確立，設計公司再依此製程去做元件設計及產品展開。一般製程開發與元件設計需搭配且同時進行。

另外一點，類比IC市場為累積式而非取代式的，類比IC產品壽命較長。 不需與Chipset、CPU 或 DRAM等先進製程產品競爭有限的晶圓代工廠產能。根據類比IC的特性，一旦成功打入產品model，取得客戶的信任之後，產品較不易變更，替換性就會大為降低。

下面是台灣功率半導體設計公司，其中，聯發科旗下的立錡在全球Power IC有一席之地。另外，台灣在二極體表現還不錯，但在MOSFET，IGBT公司，台灣規模則偏小。整體來看，台灣功率半導體偏向消費電子。