《电子技术应用》
您所在的位置:首页 > 模拟设计 > 业界动态 > 从产品到应用,GaN(氮化镓)将成为功率半导体市场发展新动力

从产品到应用,GaN(氮化镓)将成为功率半导体市场发展新动力

2018-09-28
关键词: GaN 半导体 YD

  根据Yole Développement(以下简称YD)公司近期发布的《功率GaN:外延、器件、应用及技术趋势-2017版》报告,2016年,全球功率GaN市场规模已经达到了1400万美元。相对于总规模达到惊人的300亿美元的硅功率半导体市场,功率GaN市场还显得很微不足道。不过,功率GaN技术凭借其高性能和高频解决方案适用性,短期内预计将展现巨大的市场潜力。

  功率GaN技术凭借其高速转换性能,由高压驱动电池和DC-AC工厂自备辅助电源的充电,以及DC-DC buck向12V和未来48V电池的转变所带来的未来市场,都为GaN带来了无线可能。Transphorm公司等市场主要厂商已经获得了汽车应用产品认证,这将使EV/HEV(电动汽车/混合动力汽车)领域的GaN应用最终获得放量。

  Transphorm公司是一家全球化的半导体公司,为高压功率转换应用开发了完整认证的650 V GaN功率器件。据麦姆斯咨询报道,近日Transphorm公司刚刚获得了Yaskawa公司(安川电机)的1500万美元投资。在此背景下,Yole和Transphorm公司技术营销副总裁Philip Zuk先生取得了对话,共同探讨了Transphorm公司近期的新动向和未来前景,以及全球GaN产业的发展趋势。

1.jpeg

  2016~2022年按应用细分的GaN功率器件市场

  (引自:《功率GaN:外延、器件、应用及技术趋势-2017版》)

  YD:请您介绍一下Transphorm的历史及主要产品。

  Philip Zuk(以下简称PZ):Transphorm公司的创始人Primit Parish和Umesh Mishra早年创办并成功运营了一家名为Nitres的GaN LED公司,在Nitres被Cree(科锐)收购后,2007年,两人便联合创办了Transphorm公司。十年来,Transphorm公司一直专注于将高压(HV)GaN FET(场效应晶体管)推向市场。致力于为电力电子市场(数据中心服务器、PV转换器、感应/伺服电机、工业及汽车等商业供电市场)设计、制造和销售业内顶级品质和可靠性的GaN技术产品。2013年,Transphorm公司推出了业内唯一经过JEDEC认证的GaN器件。2017年3月,我们又继续引领产业,推出了市场上仅有的一款经过AEC-Q101认证的650V车用GaN器件。

2.jpeg

  Transphorm公司经AEC-Q101认证的FET器件TPH3205WSBQA

  Transphorm公司的独特优势包括:

  - 业内唯一能够供应经JEDEC和AEC-Q101认证的技术和产品;

  - 拥有业内规模最大的GaN技术专利组合;

  - 最丰富的器件/封装解决方案供应能力;

  - 终端客户产品已经量产的GaN供应商之一;

  - 拥有较完整的外延(EPI)、设计和器件制造工艺价值链:这为Transphorm公司提供了多种抓手,使其GaN平台的品质、可靠性及性能得到最大化。

  YD:您能跟我们分享一下Transphorm公司近期在GaN技术领域的最新突破吗?Transphorm公司是否会制造并认证1200V的GaN器件?

  PZ:我们正在努力推出我们的第三代常闭GaN FET技术。该技术的阈值将提高到4.0V,提高了其抗噪能力和器件性能,无需负栅极驱动,并且相比上代产品降低了整体成本。新一代GaN技术可提供传统的通孔封装(through-hole packages, TO-XXX),以及表面贴装分立封装(SMD)。

  与此同时,Transphorm正在基于我们常闭共源共栅GaN FET——金属绝缘高电子迁移晶体管(Metal Insulated High Electron Mobile Transistor)D-Mode器件,开发一种E-Mode技术。这种GaN器件的结构有别于目前市场上其它供应商的E-Mode器件。

  YD:Transphorm公司相对GaN产业的其它厂商,优势有哪些?

  PZ:我们的优势很多,如上所述,我们拥有覆盖完整价值链的垂直整合业务模式,包括EPI、设计、制造以及应用支持,使我们能够在产品开发的各个阶段实现创新,从而带来更高的产品品质和可靠性。

  我们也创造了很多业内首创且唯一的里程碑。Transphorm公司设计并制造了业内唯一获JEDEC认证的GaN产品,并有公开数据支持的产品寿命和可靠性(HTOL、HVOS、HTDC)。我们还设计并制造了唯一获得AEC-Q101认证的GaN平台,能够满足汽车产业的高标准要求。

  我们的GaN技术能够提供市场上最高的电压阈值(4.0V)和最高的抗噪性能。

  相比竞争产品,我们提供的标准易用型TO-xxx封装产品,在功率输出方面提高了40%。我们还针对高侧和低侧位置,分别提供漏极和源极SMD器件。

  最后,Transphorm公司的GaN已经在大规模生产中应用,有些产品已经公开发布(服务器、伺服电机、电源功率级、GaN设计模组等)。

  YD:目前,SiC MOSFET正在快速发展,逐渐渗透进入多个市场,您觉得SiC MOSFET在600V电压范围的市场前景如何?

  PZ:600V/650V FET应用市场很大(如超级结总体有效市场规模大约在7~8亿美元之间),包括了全球流行的输入从85 Vac到264 Vac的所有标准单相line-to-neutra或line-to-line产品。因此,这个电压区间自然是所有厂商都想涉足的市场。

  事实上,SiC凭借其机遇正在渗透这块市场。相比硅上GaN(GaN-on-Si)技术,SiC拥有更长的时间来降低成本。不过,尽管SiC技术目前看来很有吸引力,但是我们预计当HV GaN-on-Si技术逐渐成熟,随着现在和未来技术的发展,GaN-on-Si将带来更高的投资回报和更高的性能。在600V市场肯定会一直有客户采用SiC技术,但是可靠性更高的GaN技术最终将更加适合于服务这块应用市场。

  YD:这些不同的技术将长期共存吗?或者说,其中之一是否会最终主导市场?

  PZ:Si、GaN以及SiC技术将在未来较长的时期内长期共存。此前,很多人声称74ACxxx逻辑器件将逐渐消失,但是,现在它仍然存在,并且市场应用良好。许多客户将继续使用上个世纪80年代中期就上市的IRFxxx MOSFETs,因为这种技术已经足够“好”了。再加上为了采用更新的技术,客户将不得不重新进行相关认证(即使价格上涨)。

  在这段多种技术共存的时期,需要注意的是,根据不同应用的功率等级、性能要求以及价格因素,某种技术相比其它技术可能更加适宜。不过,当系统趋向更小的尺寸以及更高的功率等级,GaN技术必将逐步侵蚀其它技术已有的市场份额。

  YD:我们听说为了使GaN器件获得最优的性能,需要采用新的封装解决方案,您对此怎么看?

  PZ:我并不这么认为。GaN技术和SiC技术不同。对于SiC技术,如果希望应用其高温性能,则需要采用新的高温封装方案。纵使GaN技术相比Si和SiC具有更快的上升和下降时间,仍然可以并将继续采用传统的封装方案。

  例如,对于我们的PQFN 88封装,我们去掉了所有的Kelvin source联接(开尔文联接),因为没有任何的性能或抗噪优势(目前Si SJ正应用Kelvin source)。为了提高板级的可靠性,电源供应商采用了多层板(>10层),为此我们还增加了电极片。因为我们的PQFN 88封装不再需要开尔文联接,使标准的TO-xxx封装能够为更高的功率应用,提供改善的散热性能。

  此外,谈到封装架构,引线联接解决方案也不会逐渐消失。无论GaN封装如何改变,技术的发展仍将继续,例如键合片之于键合线,以及顶部冷却等。事实上,这些发展将惠及所有技术。

  YD:如今大多数公司都在争相进入600V市场。您认为对于新进厂商来说,在低压GaN市场(0~200V)是否存在机遇?

  PZ:目前,需要12V和24V输出的应用大多采用了低压GaN技术,以在DC-DC变换器中提高效率。因此,可以看到HV和LV/MV GaN器件在AC-DC变换器(如服务器、存储器和网络电源)中彼此互补。无线充电和LiDAR(汽车激光雷达)也是中低电压GaN器件的重要市场。大多数GaN厂商选择了HV或LV/MV技术开发领域。

  YD:在您看来,什么市场将推动GaN技术走向主流?

  PZ:目前增长最快且不断向前发展的市场便是汽车市场。2020年代开始,您将在汽车车载充电器、DC-DC变换器和DC-AC逆变器上看到GaN应用。汽车传统内燃机引擎不会立刻消失,但是电动汽车正在不断增长,自动驾驶汽车也即将到来。已经有部分汽车厂商(福特和沃尔沃)宣称, 2020年以后将不再销售纯内燃机引擎汽车。此外,到2030年,全球汽车销量的30%预计将为非内燃机引擎。

  并且,以下应用也将持续推动高、中、低电压GaN技术的市场增长:

  - 广泛的工业领域(例如不间断电源、工厂自备电源、以及那些无法满足效率等级要求的应用);

  - 服务器、存储、网络应用;

  - 汽车(LiDAR);

  - 某些消费类/计算应用的低功率集成功率器件或单片驱动器+ GaN FET器件。

3.jpeg

  GaN在电动汽车中的应用

  YD:您感觉汽车市场是否已经准备好采用GaN技术了?您认为什么市场是推动GaN应用的主要驱动力?

  PZ:我不太确定。目前,几乎所有的市场我们都有了早期采用者,但是还有更多的“跟随者”仍在观望,等待合适的时机迅速切入。而这个合适的时机,考量的因素是多方面的,主要包括:

  - 质量和可靠性

  - 多供应商机制所带来的机遇

  - 对技术的认知(已准备就绪)

  - 采用GaN技术的经验(硬件和固件开发)

  - GaN技术研究的技术资源

  - 相对现有技术,对GaN技术优势的了解

  - 从“系统成本”而非部件成本,了解GaN技术

  GaN是一种源自RF(射频)和LED领域的横向器件,因此,它对于功率电子工程师来说是一种新事物。教育和培训是应用的关键,这也是我们为什么一直在打造设计资源库,并和客户紧密合作以支持它们设计开发的原因。我们还开发并制造了评估套件,并将推出多款参考设计,以帮助设计人员更从容地采用GaN技术进行产品开发。

  谈到市场驱动力,我认为或将是500 V或以上的某种商用供电市场。

4.jpeg

  Transphorm公司开发的Totem Pole PFC(4kW)评估套件

  YD:如今,大代工厂正在涉足GaN市场。您如何评价功率电子产业的标准IDM模式和Fabless模式?

  PZ:就GaN技术开发和产品上市要求的资本消耗率、资源规模而言,这两种模式都各具优势。Fabless模式的短板是需要采用其它厂商的标准工艺,或将带来很多麻烦。这或将导致GaN器件供应商在性能、质量或可靠性方面进行一定的妥协。

  我们也知道所有FET技术的“秘方”主要在EPI。因此,围绕EPI的控制和专利不仅对于开发单个平台很关键,对于长期的技术发展也至关重要。

  就目前市场上的E-Mode技术而言,在产品层面还没有任何换代级别的提升或改变。掌握工艺、EPI和设计,不仅可以使供应商长期地对技术进行微调,还可以提高或降低供应电压。这是针对现有解决方案,打造突破性技术的真正最有效的方法。

  我们已经选择了一家代工厂合作伙伴,这条工艺线上的工程师是我们Transphorm公司自己的员工。这使我们在控制质量的同时,还能获得第一手经验,帮助我们开发新一代产品时,在制造层面优化技术。

  YD:Transphorm未来5年的前景如何?将会有哪些重要的发展?

  PZ:Transphorm的前景令人兴奋!如果我把我们计划的未来都剧透光了,还有什么惊喜可言?尽请期待,Transphorm在不远的将来会带来更多激动人心的产品。”