四個氮化鎵在新應(yīng)用領(lǐng)域下的機遇！

發(fā)布時間：2022-03-17作者來源：薩科微瀏覽：2534

2021年，隨著5G、消費電子、工業(yè)能源轉(zhuǎn)換和新能源汽車需求的增加，基站、換能器和充電站的需求將大幅增加，對氮化鎵和碳化硅饋線的需求將增加。
據(jù) TrendForce集邦咨詢研究顯示，GaN功率元件至2025年市場規(guī)模將達(dá) 13.2億美元，年復(fù)合成長率高達(dá) 94%。

新應(yīng)用下，氮化鎵的“革命”！

與硅相比，GaN 具有寬帶隙、高電子飽和率、高擊穿場電場以及較低的傳導(dǎo)損耗和 EMF 特性。 GaN能源主要用于消費產(chǎn)品、新能源汽車、通信和數(shù)據(jù)中心。
在碳達(dá)峰、碳中和的背景下，氮化鎵推動能源轉(zhuǎn)換“革命”。
“據(jù)2020年全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全國社會用電量高達(dá)7.5萬億千瓦時，在這個龐大的數(shù)字下，節(jié)約的效率是巨大的。由此我們可以看出，GaN的低開關(guān)損耗和高頻化的特點將會在智慧照明、機電轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)中心、智能電動和智能光儲上有較廣泛的應(yīng)用?！痹?022集邦咨詢化合物半導(dǎo)體新應(yīng)用前瞻分析會上，英諾賽科高級經(jīng)理賀鵬表示。

英諾賽科高級經(jīng)理賀鵬

LED照明

在LED驅(qū)動電源中，磁器件和功率器件的散熱器的體積占到了整個電源的1/3以上，要實現(xiàn)LED驅(qū)動的小型化，降低磁器件的體積，從而降低散熱片的體積是一個比較好的路徑。

氮化鎵在開關(guān)速度上比硅有明顯的提升，它的開關(guān)損耗相對于硅有大幅的減小，而效能有大幅提升。追求小尺寸一般就要犧牲效率，但應(yīng)用氮化鎵可以保證在小尺寸情況下，效率依然可以做到很高。

機電轉(zhuǎn)換

電機驅(qū)動行業(yè)已覆蓋到我們生活的方方面面，包含常見的電動自行車、電動工具，另外還有倉儲機器人、外協(xié)機器人、無人機、伺服，還有電機的主驅(qū)。
以無人機為例，若想提升續(xù)航，就意味著對高效能轉(zhuǎn)化的要求；對體積的苛刻，意味著一體化的設(shè)計，對高功率密度有更高的要求。
氮化鎵對驅(qū)動器的應(yīng)用，是對電機系統(tǒng)有一個系統(tǒng)性的綜合優(yōu)化，控制器的控制精度將會有大幅提升。由于驅(qū)動器和電機本體尺寸的下降，GaN的應(yīng)用更有利于驅(qū)動器和電機本體的驅(qū)動設(shè)計，對系統(tǒng)的綜合性能和成本都會有一定的優(yōu)化。

數(shù)據(jù)中心

此前，歐盟頒布2023年針對數(shù)據(jù)中心能效的強制鈦金要求。效率從白金的峰值效率94%提升到鈦金的96%，這兩個點的提升對于服務(wù)器電源的設(shè)計將會有著質(zhì)的推動。

賀鵬預(yù)計服務(wù)器電源在未來的設(shè)計上，對集成數(shù)據(jù)中心的效率，以及集成它的功率密度和降低成本都有一定的考慮。

電動汽車

未來隨著GaN器件在高壓領(lǐng)域的研發(fā)技術(shù)提升，GaN在OBC、BMS以及電機驅(qū)動上也會有比較廣泛的應(yīng)用。

光伏儲能

目前，GaN主要應(yīng)用在便攜式的儲能站，使用氮化鎵可以降低功耗，提高功率密度，降低成本。

Source：拍信網(wǎng)

四個挑戰(zhàn)，四個機遇！

會上，就氮化鎵器件的挑戰(zhàn)和展望，賀鵬提出了四個方面。

Ron*Area vs 價格和通流能力

GaN器件相較于硅器件，在單位面積Ron Area 方面有一定的優(yōu)勢，而wafer和通流能力方面存在劣勢，解決的辦法就是在IDM模式下，提升產(chǎn)能，降低單Die的成本，另外就是改善工藝，提升良率，降低wafer的成本。

驅(qū)動

GaN相對硅的閾值電壓和[敏感詞]值電壓都偏低，這就意味著GaN驅(qū)動的敏感度更高。解決方法有二，一是引入SK引腳，可將驅(qū)動回路和功率回路有效解耦，避免誤觸發(fā)帶來的故障；二是由單管到合封，有效降低故障率。

封裝和散熱

GaN主流是DFN和CSP封裝，散熱面積不及硅。我們可以開發(fā)頂部散熱的封裝，以增加散熱面積。另外，開發(fā)熱阻更優(yōu)的封裝形式，比如copper clip，以及FLCSP，它們的熱阻會更小。

高耐壓和大電流應(yīng)用

SiC的高電壓高達(dá)1700V，GaN[敏感詞]才達(dá)到650V，這就需要對技術(shù)路線和工藝進(jìn)行改進(jìn)，使得GaN在高壓上和大電流上接近并突破理論限值。

在高頻應(yīng)用場景下，對于GaN直驅(qū)的驅(qū)動器需要有低電壓范圍、低閾值電壓、超好死區(qū)時間；其磁性材料需要有低磁損、低寄生參數(shù)、更優(yōu)的高頻特性；在超高頻的磁件設(shè)計方面，對低交流損耗、低寄生參數(shù)、集成化設(shè)計有一定的要求；另外在高功率密度應(yīng)用下，由于系統(tǒng)的密度提升帶來的對系統(tǒng)散熱的要求，以及EMI特性提出了更高的要求，同時對PCB的設(shè)計也有更高的要求。
“優(yōu)越的開關(guān)特性使GaN功率器件更助力于節(jié)能減排，GaN的高頻特性也推動了系統(tǒng)的高功率密度發(fā)展，作為一個新器件，GaN的研發(fā)和應(yīng)用仍具備更巨大的提升空間和潛力。”賀鵬表示。

國產(chǎn)氮化鎵突飛猛進(jìn)！

英諾賽科成立于2015年，專注于8寸硅基GaN器件的研發(fā)和制造，目前立足于珠海和蘇州兩大生產(chǎn)基地。
其中，珠海的生產(chǎn)基地已經(jīng)具備了月生產(chǎn)4K的產(chǎn)能，蘇州目前已經(jīng)具備6K到1萬片的生產(chǎn)產(chǎn)能，未來蘇州滿產(chǎn)能將達(dá)到65K每月的產(chǎn)能。
產(chǎn)品方面，英諾賽科在650V高壓領(lǐng)域件已覆蓋150/200/260/480mΩ多類器件，目前80mΩ器件已經(jīng)有樣片，明年將會有樣片提供給客戶。
低壓方面，在100V到150V實現(xiàn)量產(chǎn)，涉及到激光雷達(dá)、同步整流、電機驅(qū)動。
同時，英諾賽科正在開發(fā)更低電壓，包括30V、40V，以及小于3mΩ、4mΩ的器件。
此前， TrendForce集邦咨詢發(fā)布了2021年全球GaN功率廠商出貨量市占率預(yù)估。2021年，英諾賽科市占一舉攀升至20%，躍升為全球第三，主要受惠于其高、低壓GaN產(chǎn)品出貨量大幅增長。其中，快充產(chǎn)品更首次進(jìn)入一線筆電廠商供應(yīng)鏈。