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愛國者飛彈屹立不搖的關鍵:氮化鎵如何主導雷達與飛彈發展?

由於5G、寬頻、綠能產品的興起,使得新一代的半導體材料漸受矚目。示意圖。 圖/路透社
由於5G、寬頻、綠能產品的興起,使得新一代的半導體材料漸受矚目。示意圖。 圖/路透社

最近因為美中貿易戰愈打愈烈,中國打算限制高科技產業的上游關鍵材料稀土出口,使得稀土成為國際政治的熱門關鍵字。在高科技產業上游的半導體材料方面,由於5G、寬頻、綠能產品的興起,使得新一代的半導體材料漸受矚目。

從智慧燈泡、手機快速充電器到雷射,這些新的科技產品,都開始採用新一代化合物半導體。在一般常見的半導體中,第一代半導體材料為矽、第二代半導體為砷化鎵等,第三代半導體則包括碳化矽(SiC)及氮化鎵(GaN),其中第三代的氮化鎵,可能在未來逐步取代矽,成為新的半導體材料。

與前代相比,第三代半導體尺寸小、高功率,散熱快,低雜訊、低耗電,在5G、需要充電系統的環境——如快速充電器、電動車充電座等——應用很廣,其技術也已可商業化。

全球晶圓廠矚目

其中,氮化鎵最受矚目,它是氮和鎵的化合物,1990年開始便常被用在發光二極體中。它的能隙很寬,導通電阻遠小於矽基材料,傳導電子的效率更高於矽元件,並承受更高電場,而且更耐高熱,不但可以縮小產品——如充電器——的體積,耗電量也更小,能源效率更高。

氮化鎵在科技及軍事領域的應用很廣,其對游離輻射敏感度低,在輻射環境中具高穩定性,適合用於衛星的太陽能電池、手機、家電及各種電動車等系統的充電裝置等。而碳化矽較氮化鎵更耐高溫,較適合更嚴苛的工作環境,可用於不斷電系統、電源供應器等產品。

在5G、綠能時代,電子設備能源效率特別重要,氮化鎵、碳化矽等化合物半導體成為提升效率的重要角色。這兩者製程門檻極高、良率仍低,因此代工價格相當高,但應用普及化後,成本可望降低,有利終端產品採用第三代半導體,目前生產已逐漸成熟,產品也日漸增加。

其中,日本是第一個發展氮化鎵的國家,在1980年代即已投入氮化銦鎵(InGaN)技術,應用在藍光LED上。日本政府也全力支持,使其企業享有半導體的競爭優勢。目前台灣各大電子產業均看好碳化矽及氮化鎵商機,國內已有多家廠商大舉投資製程開發,並準備投產,從檢測、蝕刻、封裝已逐漸到位。

半導體龍頭台積電已傳出採購氮化鎵設備,擴大投資氮化鎵製程,其他如漢磊、環球晶、嘉晶等晶圓代工廠,皆已具氮化鎵的量產能力,積極投入氮化鎵領域,力拚維持晶圓代工的優勢地位。

目前台灣各大電子產業均看好碳化矽及氮化鎵商機,國內已有多家廠商大舉投資製程開發,並準備投產,從檢測、蝕刻、封裝已逐漸到位。示意圖。 圖/歐新社
目前台灣各大電子產業均看好碳化矽及氮化鎵商機,國內已有多家廠商大舉投資製程開發,並準備投產,從檢測、蝕刻、封裝已逐漸到位。示意圖。 圖/歐新社

氮化鎵在軍事上的運用

氮化鎵其實早就運用在軍事上,用於提高各種雷達、電戰系統的效率。雷神飛彈防禦公司(Raytheon)更是其中率先採用的國際大公司之一,其神盾系統的新一代SPY-6相位陣列雷達,在2010年時即已率先採用先進的氮化鎵技術;科沃公司(Qorvo)生產的氮化鎵元件QGaN15,在30吉赫(GHz)的高頻率下仍運作良好,低頻的QGaN50在低頻運作下穩定性極高,無故障間隔達100萬小時。氮化鎵可在更高溫度下運行,可高達攝氏200度,對冷卻系統要求相對較低。

目前氮化鎵主要仍用於商用領域,但未來軍事系統的運用將大幅提升。早期主動電子掃描/相位陣列雷達體積均相當龐大,成本極高,但現已普遍運用在戰機上,如諾斯洛普格魯曼公司(Northrop Grumman)在F-22上的AN/APG-77雷達、F-35的APG-81雷達,仍採用砷化鎵元件,其物理特性已達到極限。

但相位陣列雷達若改用氮化鎵元件,其功率放大器體積更小,功率更大,較小的孔徑便能增加偵測距離及範圍,甚至可用於小型雷達上,或是其他無線電、機載及艦載雷達。氮化鎵在新一代雷達技術的運用上,被大為看好。

美國目前如雷神等電子系統大廠,都開始將氮化鎵元件應用在相位陣列雷達上;日本自行發展的FCS-3A主動電子掃描雷達,在2012年即採用氮化鎵元件,取代舊型的砷化鎵元件,成為世界上第一種服役的氮化鎵雷達。歐洲的台利斯公司(Thales)所發展的多任務3D空中及平面蒐索雷達,採用氮化鎵技術,號稱比美國的SPY-1功能更強大,對小型及慢速飛行的低空目標——例如無人機——有更佳的辨識率。未來採用氮化鎵元件的雷達,甚至可用以偵測雷達反射截面積(RCS)值極低的匿蹤戰機。

這項技術甚至連台灣也在發展中,例如發跡於交通大學的新創產業「創未來科技公司」(Tron Future),也運用氮化鎵元件發展主動相位陣列雷達,這可以使台灣躋身先進雷達製造的行列,並用以研發各種型式的機載、艦用及地面蒐索雷達,同時用以改進天弓或雄風系列等國產飛彈的性能。

軍事上來說,由於雷達或感測系統需要體積小、重量輕、盡量減少能源的消耗,但仍需維持極佳的性能,包括更遠的偵測距離、更靈敏、更大的功率、更強的抗干擾能力等等,因此氮化鎵便成為新一代電子系統最佳的元件,可以用在主動電子掃描雷達、電子戰系統、各種導引莢艙。

雷神公司採用的氮化鎵以及積體電路技術,用於新型愛國者飛彈的電子掃描陣列雷達,能在相同的體積下發射更強的雷達信號以及更高的接收靈敏度。 圖/Raytheon
雷神公司採用的氮化鎵以及積體電路技術,用於新型愛國者飛彈的電子掃描陣列雷達,能在相同的體積下發射更強的雷達信號以及更高的接收靈敏度。 圖/Raytheon
目前氮化鎵主要仍用於商用領域,但未來軍事系統的運用將大幅提升。圖為雷神愛國者飛彈。 圖/Raytheon
目前氮化鎵主要仍用於商用領域,但未來軍事系統的運用將大幅提升。圖為雷神愛國者飛彈。 圖/Raytheon

氮化鎵用以提升愛國者飛彈性能

而在其他軍事運用方面,第一種利用氮化鎵技術的飛彈,是雷神飛彈防禦公司的「愛國者導引強化型—戰術彈道飛彈」(Patriot Guidance Enhanced Missile TBM, GEM-T),雷神公司已花費超過三億美元,開發用於國防領域的先進氮化鎵技術。GEM-T飛彈除攔截飛機外,也可用於攔截戰術彈道飛彈和巡弋飛彈,在改用氮化鎵發射器後,飛彈的45年使用壽命中再也不需要重新認證。

雷達傳輸器連接飛彈與地面的射控單元,使其在飛行過程中能夠控制武器。GEM-T中的氮化鎵元件以固態方式代替傳統的行波管設計,後者需要零件供應和重新認證,以配合飛彈的壽命,使用氮化鎵元件的新飛彈則不需要。新的傳輸器具有與舊傳輸器相同的形式、裝置方式和功能。它也很堅固,不需要額外冷卻,並且可以在通電後幾秒鐘內便開始運作。

雷神公司愛國者計畫經理克麗斯汀‧沃許(Christine Walsh)曾表示,氮化鎵技術正為這些飛彈系統注入新的活力。雷神公司在推動氮化鎵研發已超過20年,並在美國國防部認證的「Trusted Foundry」計畫下,生產高性能氮化鎵放大器。

雷神公司表示,這項技術已為美國陸軍做好準備,使用新的固態傳輸器替換舊傳輸器是明智決定。同時,雷神也正增加GEM-T飛彈的產量,且新型傳輸器正順利完成認證,並將在未來的飛行測試中不斷進行驗證。目前雷神公司已在新墨西哥州白沙飛彈試驗場進行第一次GEM-T的實彈飛行測試,包括在複雜環境迎戰目標,完成系統追踪目標、接戰、發射,攔截並擊殺目標的程序。

小結

雷達和飛彈僅是氮化鎵運用的開始,其還具有取代任何需要在小空間內實現高功率和高效率射頻應用的潛力,其中包括無線電數據鏈路、主動尋標器和近發引信。即使是「老」飛彈,也能運用氮化鎵積體電路技術,進行性能提升使其脫胎換骨。

目前雷神公司已經開發多種運用氮化鎵的技術,包括用在愛國者系統的新型主動電子掃描雷達,使用氮化鎵積體電路,可發射訊號更強,並具更高靈敏度的雷達。在未來的無人導引時代,更快更遠的雷達偵蒐能力,將能提供更多的先發優勢。

雷神公司已經開發多種運用氮化鎵的技術,包括用在愛國者系統的新型主動電子掃描雷達,使用氮化鎵積體電路,可發射訊號更強,並具更高靈敏度的雷達。 圖/Raytheon
雷神公司已經開發多種運用氮化鎵的技術,包括用在愛國者系統的新型主動電子掃描雷達,使用氮化鎵積體電路,可發射訊號更強,並具更高靈敏度的雷達。 圖/Raytheon

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