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四氮呻吟新应用领域的机遇！
2022-03-17
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2021年，随着5G、消费电子、工业能源转换和新能源汽车等需求的不断增长，基站、传感器和充电站的需求将大幅增加，氮化镓和碳化硅馈线的需求将增加。据集邦咨询研究预测，到1.32年，氮化镓功率组件市场规模将达2025亿美元，复合年增长率达94%。
与硅相比，GaN具有宽带隙、高电子饱和率、高击穿电场和电场、以及较低的传导损耗和电动势特性。 GaN能源主要应用于消费产品、新能源汽车、通信和数据中心。在二氧化碳排放达峰和碳中和的背景下，氮化镓推动能源转换的“革命”。“根据2020年国家电力行业统计，全国社会用电量高达7.5万亿千瓦时，在这个庞大的数字下，节约的效率是巨大的。” 由此可见，GaN的低开关损耗和高频特性将在智能照明、机电转换、数据中心、智能电气和智能光存储等领域得到广泛应用。 ” Innocenti高级经理何鹏在集邦咨询化合物半导体2022年前瞻性分析会上表示。
英诺赛科高级经理 贺鹏
在LED驱动电源中，磁性器件和功率器件的散热器体积占总电源的1/3以上。是实现LED驱动小型化、减小磁性器件体积，从而减小散热器体积的较好途径。
与硅相比，氮化镓的开关速度显着提高，开关损耗显着降低，效率显着提高。 一般来说，追求小尺寸会牺牲效率，但是氮化镓的应用可以保证在小尺寸的情况下效率仍然可以很高。
电机驱动行业已经覆盖了我们生活的方方面面，包括常见的电动自行车、电动工具，还有仓储机器人、外包机器人、无人机、舵机、电机主驱动等。
以无人机为例，如果要提高续航能力，就意味着需要高效率的转换； 苛刻的体积意味着集成设计需要更高的功率密度。
GaN驱动器的应用是对电机系统的一次系统性的全面优化，控制器的控制精度将得到大幅提升。 由于驱动器和电机本体尺寸的减小，GaN的应用更有利于驱动器和电机本体的设计，这将优化系统的整体性能和成本。
此前，欧盟发布了2023年数据中心能效钛合金强制性要求。 铂金的峰值效率从钛金的94%提高到96%，这将推动服务器电源的设计。
何鹏预计，未来服务器电源的设计会考虑数据中心集成的效率、集成的功率密度以及成本的降低。
未来随着高压领域GaN器件研发技术的提高，GaN将广泛应用于OBC、BMS和电机驱动等领域。
目前，GaN主要应用于便携式储能站。使用GaN可以降低功耗、提高功率密度并降低成本。
四个挑战，四个机遇！
会上，何鹏就氮化镓器件面临的挑战和前景提出了四个方面的观点。
与硅器件相比，GaN器件在单位面积Ron面积方面具有一定优势，但在晶圆和电流容量方面存在劣势。解决方案是在IDM模式下提高单Die产能、降低成本，并改进工艺、提高良率、降低晶圆成本。
与硅相比，GaN的阈值电压和最大电压都较低，这意味着GaN驱动的灵敏度更高。 有两种解决方案。一是引入SK引脚，可以有效地将驱动电路和电源电路解耦，避免误触发造成的故障。 其次，从单管到密封，有效降低故障率。
GaN主要采用DFN和CSP封装，其散热面积比硅小。 我们可以开发顶部散热的封装，以增加散热面积。 另外，开发热阻更好的封装形式，如铜夹和FLCSP，将使其热阻更小。
SiC的高电压高达1700V，而GaN的最高电压仅为650V V。因此，需要改进技术路线和工艺，使GaN的高电压和大电流接近并突破理论极限。在高频应用场景中，GaN直驱驱动器需要低电压范围、低阈值电压和超好的死区时间。 其磁性材料需要具有低磁损耗、低寄生参数和更好的高频特性。
在UHF磁性零件的设计中，对低交流损耗、低寄生参数和集成设计有一定的要求。 另外，在高功率密度的应用中，由于系统密度增加带来的系统散热和EMI特性的要求，提出了更高的要求，对PCB的设计也提出了要求。“优越的开关特性使得氮化镓功率器件更有利于节能减排，氮化镓的高频特性也促进了系统高功率密度的发展。氮化镓作为一种新型器件，其研发和应用仍有巨大的改进空间和潜力。” 何鹏说道。
新应用下的氮化镓“革命”！
与硅相比，GaN具有宽带隙、高电子饱和率、高击穿电场和电场、以及较低的传导损耗和电动势特性。 GaN能源主要应用于消费产品、新能源汽车、通信和数据中心。在二氧化碳排放达峰和碳中和的背景下，氮化镓推动能源转换的“革命”。“根据2020年国家电力行业统计，全国社会用电量高达7.5万亿千瓦时，在这个庞大的数字下，节约的效率是巨大的。” 由此可见，GaN的低开关损耗和高频特性将在智能照明、机电转换、数据中心、智能电气和智能光存储等领域得到广泛应用。 ” Innocenti高级经理何鹏在集邦咨询化合物半导体2022年前瞻性分析会上表示。
英诺赛科高级经理 贺鹏
LED照明
在LED驱动电源中，磁性器件和功率器件的散热器体积占总电源的1/3以上。是实现LED驱动小型化、减小磁性器件体积，从而减小散热器体积的较好途径。
与硅相比，氮化镓的开关速度显着提高，开关损耗显着降低，效率显着提高。 一般来说，追求小尺寸会牺牲效率，但是氮化镓的应用可以保证在小尺寸的情况下效率仍然可以很高。
机电转换
电机驱动行业已经覆盖了我们生活的方方面面，包括常见的电动自行车、电动工具，还有仓储机器人、外包机器人、无人机、舵机、电机主驱动等。
以无人机为例，如果要提高续航能力，就意味着需要高效率的转换； 苛刻的体积意味着集成设计需要更高的功率密度。
GaN驱动器的应用是对电机系统的一次系统性的全面优化，控制器的控制精度将得到大幅提升。 由于驱动器和电机本体尺寸的减小，GaN的应用更有利于驱动器和电机本体的设计，这将优化系统的整体性能和成本。
数据中心
此前，欧盟发布了2023年数据中心能效钛合金强制性要求。 铂金的峰值效率从钛金的94%提高到96%，这将推动服务器电源的设计。
何鹏预计，未来服务器电源的设计会考虑数据中心集成的效率、集成的功率密度以及成本的降低。
电动车
未来随着高压领域GaN器件研发技术的提高，GaN将广泛应用于OBC、BMS和电机驱动等领域。
光伏储能
目前，GaN主要应用于便携式储能站。使用GaN可以降低功耗、提高功率密度并降低成本。
四个挑战，四个机遇！
会上，何鹏就氮化镓器件面临的挑战和前景提出了四个方面的观点。
Ron*面积 vs 价格和当前容量
与硅器件相比，GaN器件在单位面积Ron面积方面具有一定优势，但在晶圆和电流容量方面存在劣势。解决方案是在IDM模式下提高单Die产能、降低成本，并改进工艺、提高良率、降低晶圆成本。
驾驶
与硅相比，GaN的阈值电压和最大电压都较低，这意味着GaN驱动的灵敏度更高。 有两种解决方案。一是引入SK引脚，可以有效地将驱动电路和电源电路解耦，避免误触发造成的故障。 其次，从单管到密封，有效降低故障率。
以及封装和散热。
GaN主要采用DFN和CSP封装，其散热面积比硅小。 我们可以开发顶部散热的封装，以增加散热面积。 另外，开发热阻更好的封装形式，如铜夹和FLCSP，将使其热阻更小。
高耐压、大电流应用
SiC的高电压高达1700V，而GaN的最高电压仅为650V V。因此，需要改进技术路线和工艺，使GaN的高电压和大电流接近并突破理论极限。在高频应用场景中，GaN直驱驱动器需要低电压范围、低阈值电压和超好的死区时间。 其磁性材料需要具有低磁损耗、低寄生参数和更好的高频特性。
在UHF磁性零件的设计中，对低交流损耗、低寄生参数和集成设计有一定的要求。 另外，在高功率密度的应用中，由于系统密度增加带来的系统散热和EMI特性的要求，提出了更高的要求，对PCB的设计也提出了要求。“优越的开关特性使得氮化镓功率器件更有利于节能减排，氮化镓的高频特性也促进了系统高功率密度的发展。氮化镓作为一种新型器件，其研发和应用仍有巨大的改进空间和潜力。” 何鹏说道。
国产氮化镓突飞猛进！
INSEC成立于2015年，专注于8英寸硅基GaN器件的研发和制造。目前，其总部位于珠海和苏州。
其中，珠海生产基地已具备月产4K的产能，苏州目前已具备6K至10,000片的产能。未来，苏州满负荷产能将达到每月65K。产品方面，英诺赛科已覆盖150V高压领域200/260/480/650mΩ器件。目前80mΩ器件已有样品，明年将向客户提供样品。低压方面，从100V到150V实现量产，涉及激光雷达、同步整流、电机驱动等。同时，InnoSeco正在开发更低的电压，包括30V和40V，以及小于3Mω和4Mω的器件。此前，集邦咨询发布了2021年全球GaN功率厂商市场份额预估。 2021年，InnoSeco市场份额一举攀升至20%，跃升至全球第三位，主要受益于其高低压GaN产品出货量大幅增长。 其中，快充产品首次进入一线笔记本厂商供应链。
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