電動車需要「新型晶片」，台積電市占僅4%！這種半導體，讓特斯拉續航破600公里 | 天下文化

一場早餐會，敲開台灣半導體產業之門

1974 年 7 月 26 日，潘文淵完成「積體電路計畫草案」，並獲經濟部核定。一個月後，積體電路計畫催生了工研院的「電子工業研究發展中心」（簡稱電子中心，電子所的前身），為台灣推動半導體產業發展的起點。

潘文淵當時建議與美國無線電公司技術合作，並從美國無線電公司辭職，召集海外學人成立電子技術顧問委員會（Technical Advisory Committee, TAC），被譽為「台灣半導體產業之父」。

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如圖 7-1 所示，台灣半導體每 20 年為一個發展演變期。1960 年到 1980 年是世界及台灣 IC 產業的萌芽期。

圖7-1：台灣IC產業發展軌跡（圖/天下文化）

回溯世界 IC 歷史，1958 年，全世界第一顆 IC 在美國德州儀器（TI）公司誕生。

而台灣半導體的歷史，則要從交通大學說起。1964 年，交大在台灣第一位本土工學博士張俊彥領導下積極投入，成立半導體實驗室（現今奈米中心的前身），曾任交大半導體實驗室主任的胡定華，在 1974 年電子中心成立時即毛遂自薦，並獲任電子中心副主任一職，胡定華當時擔任交大電子工程系教授兼系主任，負責為電子中心招兵買馬，次年辭去教職，專心並積極推動半導體技術研究。

1976 年，電子中心和美國無線電公司簽訂「積體電路技術移轉授權合約」，陸續派工程師到美國受訓學習技術；1977 年，受訓的工程師設計出台灣第一顆 IC 晶片，奠定了台灣 IC 產業的發展。

1980 年代，台灣半導體業開發發展，起源於 1980 年工研院出資成立聯電，創設台灣第一家半導體公司，也是新竹科學園區第一家進駐的公司。當年，聯電做的是單價不到 10 元的電子錶晶片；接著是 1987 年台積電成立，隨著 1990 年代，個人電腦興起、手機盛行，台灣 IC 產業進入成長期。

台灣 IC 產業從 2000 年開始進入茁壯期。以實績來看，2000 年台灣 IC 總產值 163 億美元，到 2020 年，達 1024 億美元，成長幅度逾五倍。

根據台灣半導體產業協會（Taiwan Semiconductor Industry Association, TSIA）的資訊，到 2021 年，台灣 IC 產業產值為 1458 億美元，換算成新台幣首度突破 4 兆元，年成長率仍高達 26.7%。

台灣 IC 業創新分工策略

以半導體產業結構分析，從上游 IC 設計到中游 IC 製造，再到下游的封裝測試，產業高度垂直分工（如圖 7-2）。

圖7-2：台灣IC產業鏈（圖/天下文化）

早期的半導體公司都屬 IDM 廠，是從上游到下游垂直整合，台灣 IC 產業率先提出分工策略，推動晶圓代工加上 IC 設計，建立創新的產業結構商業模式。（相關報導：風傳媒高峰論壇》電動車滿街跑，電真的夠用嗎？台電陳銘樹：提高韌性、做好轉型準備｜更多文章）

1987 年台積電成立，以純晶圓代工業務商模，搶市場先機，至於聯電，則花了十年時間拆解 IDM，分拆獨立出聯發科、聯詠、聯陽、智原、聯傑、聯笙等 IC 設計公司，逐漸轉型為純晶圓代工公司，從此，聯電代工業務迅速發展。在分工趨勢下，傳統的 IDM 廠也減少自製改為外包。

台灣創新的分工策略發揮優勢，在晶圓代工、IC 封測和 IC 設計等全球市場中，都占有舉足輕重的地位。從實際的成果來看，2021 年台積電晉升為全球第一大 IC 代工廠、第三大半導體廠；聯發科則為全球第四大 IC 設計、第八大半導體廠；全球十大晶圓代工（不含 IDM 的純晶圓代工）台灣就有 5 家上榜，前十大 IC 設計公司，台灣則有 4 家入列。

延伸閱讀：半導體業步入衰退周期？台積電、美光財報暴露「旺季不旺」警訊

以整體產業的實績，過去 20 年，台灣在晶圓代工和封測兩項業務上，都拿下全球第一的寶座，IC 設計也僅次於美國，排名第二，是台灣最有競爭力的產業。台灣晶圓代工總產值從 2000 年的 94 億美元，成長到 2020 年的 551 億美元，成長近五倍，占全球市場的 77.6%；而 IC 封測占全球產值的 57.7%，幾乎可說是由台灣主宰市場（如表7-1）。

表7-1：台灣IC產業產值概況（圖/天下文化）

預期未來，台灣半導體產業前景持續看好。根據半導體市場研究公司 IC Insights 預估，以純晶圓代工來看，2025 年市場產值可望達到 1251 億美元，占整體晶圓代工產值將拉升到 82.7%。

半導體產業從 1958 年發展至今，超過一甲子，近年來產業仍能保持 20% 的快成長，有兩大要因，一是沒有取代性的技術出現，二是，一直有驅動更新、新需求的衍生。

從過去台灣 IC 產業成長的脈絡可以看出來，隨著個人電腦、手機、網路和智慧型手機等資通訊產業蓬勃發展的軌跡；近期則有電動車、物聯網、人工智慧、元宇宙等新市場，鞏固了台灣堅實的核心競爭力，讓台灣 IC 業在世界上建立不可取代的地位。

碳化矽半導體是明日新星

至於半導體的材料，也隨著產品的應用和需求而不斷演進。

例如，第一代半導體的主流材料是矽（Si），又稱矽晶圓；到了第二代，則以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）的三五族化合物半導體為主；到了第三代，則以碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）為主要材料的寬能隙（Wide Band Gap, WBG）半導體，由於能耐高壓、高溫、高頻等特性，符合要求高能源轉換效率的 5G 和電動車產品的應用需求，成為半導體新紀元的明星。

其中，碳化矽對電動車的輕量化、提升續航力和減少電池成本和充電時間，更是至關重要。

碳化矽俗稱金剛砂，具備低阻抗、高頻率、高導電性、高導熱性等特性，非常適合製造大功率汽車電子元件，尤其是電動車的電源設計，例如主機逆變器（又稱牽引逆變器）、車載充電器和 DC/DC 轉換器。

主機逆變器是電動車傳動系統的主要元件，可將車輛高電壓電池提供的直流電流（DC），轉換為電動馬達所需要的交流電流（AC），藉以產生移動車輛所需的扭矩，使用碳化矽功率元件可提高逆變器的效能，可提升車輛加速度及行車距離（即續航力）。最早應用碳化矽元件的特斯拉 Model 3，續航里程就大幅提升至 619 公里。（相關報導：風傳媒高峰論壇》電動車滿街跑，電真的夠用嗎？台電陳銘樹：提高韌性、做好轉型準備｜更多文章）

此外，假設逆變器保持功率不變，採用碳化矽的功率元件，重量會更輕、尺寸更小，系統可朝小型化、輕量化發展。

但目前全球碳化矽製造加工技術仍未成熟，不僅長晶（生長碳化矽單晶）技術門檻高，生產高品質的基板（如同提供單晶體生長的地基）和磊晶（在基板上形成結晶薄膜）的製造難度高，從切割、薄化、研磨、拋光等加工技術難度也高，技術仍待精進。

根據法國的市場分析公司 Yole Développement 估算，2021 年每輛電動車中，碳化矽功率元件為汽車製造商節省的電池成本達 750 美元。未來，若能掌握碳化矽技術，將更有助益於降低電動車及電池成本。

IDM 占車用市場四成

以車用晶片製程來看，目前主要以 8 吋廠供貨為主，部分用到 12 吋廠成熟製程。在 2022 年電動車和整體汽車晶片的需求強勁上升，特斯拉、福特、通用、福斯、現代汽車等大廠，甚至宣布自行設計晶片，小量、客製化的高度需求，也將推動 8 吋晶圓廠的產能提升。

然而，台灣半導體業在車用領域所占比例，一直落於手機及個人電腦之後，遠遠比不上國外的 IDM 大廠。

由於車用認證規格的特殊性，必須由上游到下游高度整合，許多車用 IC 領導廠商都是 IDM 廠，集設計、製造、封裝測試於一體的 IDM，可以配合車廠需求客製化產品，利於控管品質，是一般供應鏈不易打入車輛產業的原因，車用 IC 外包的比重大約在二至三成。

以 2020 年而言，全球車用半導體的總產值約 374 億美元，車用半導體大廠英飛凌、恩智浦、瑞薩、德州儀器及意法半導體占了市場超過四成，台積電僅占 4% 多。

近幾年 IC 產業面臨兩大隱憂，一是 IC 缺貨的情況，短期難以改善；二是晶片需求全方位增加，供需嚴重失調。台灣 IC 產業擁有最大產能，又有最快速的增產能力，等於手握最有利的解方，目前在車用半導體產業比例雖然偏低，但相對也顯示未來有很大的成長機會。

小辭典：整合元件製造廠（IDM）
IDM（Integrated Design and Manufacture）是一種垂直整合的製造模式，從設計、製造到銷售等流程都由一家公司包辦，這種商業模式需要雄厚的營運資本，全球前幾大IDM 廠包括英特爾、德州儀器、三星、東芝（Toshiba）等。
目前主要車用 IDM 前五大廠包括恩智浦（NXP）、英飛凌（Infineon）、瑞薩（Renesas）、意法（STMicroelectronics）和德州儀器等。