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四氮呻吟新應用領域的機會！
2022-03-17
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2021年，隨著5G、消費性電子、工業能源轉換和新能源汽車等需求的不斷增長，基地台、感測器和充電站的需求將大幅增加，氮化鎵和碳化矽饋線的需求將增加。根據集邦諮詢研究預測，到1.32年，氮化鎵功率組件市場規模將達2025億美元，複合年增長率達94%。
與矽相比，GaN具有寬頻隙、高電子飽和率、高擊穿電場和電場、以及較低的傳導損耗和電動勢特性。 GaN能源主要應用於消費性產品、新能源汽車、通訊和資料中心。在二氧化碳排放達峰和碳中和的背景下，氮化鎵推動能源轉換的「革命」。「根據2020年國家電力行業統計，全國社會用電量高達7.5萬億千瓦時，在這個龐大的數字下，節約的效率是巨大的。” 由此可見，GaN的低開關損耗和高頻特性將在智慧照明、機電轉換、資料中心、智慧電氣和智慧光儲存等領域廣泛應用。 」 Innocenti高級經理何鵬在集邦諮詢化合物半導體2022年前瞻性分析會上表示。
英諾賽科資深經理 賀鵬
在LED驅動電源中，磁性元件和功率元件的散熱器體積佔總電源的1/3以上。是實現LED驅動小型化、減少磁性裝置體積，進而減少散熱器體積的較好途徑。
與矽相比，氮化鎵的開關速度顯著提高，開關損耗顯著降低，效率顯著提高。 一般來說，追求小尺寸會犧牲效率，但是氮化鎵的應用可以保證在小尺寸的情況下效率仍然可以很高。
馬達驅動產業已經涵蓋了我們生活的方方面面，包括常見的電動自行車、電動工具，還有倉儲機器人、外包機器人、無人機、舵機、馬達主驅動等。
以無人機為例，如果要提高續航力，就意味著需要高效率的轉換； 苛刻的體積意味著整合設計需要更高的功率密度。
GaN驅動器的應用是對馬達系統的一次系統性的全面優化，控制器的控制精度將大幅提升。 由於驅動器和馬達本體尺寸的減小，GaN的應用更有利於驅動器和馬達本體的設計，這將優化系統的整體性能和成本。
此前，歐盟發布了2023年資料中心能源效率強制性鈦金屬要求。 鉑金的峰值效率從鈦金的94%提高到96%，這將推動伺服器電源的設計。
何鵬預計，未來伺服器電源的設計將考慮資料中心整合的效率、整合的功率密度以及成本的降低。
未來隨著高壓領域GaN元件研發技術的提高，GaN將廣泛應用於OBC、BMS和馬達驅動等領域。
目前，GaN主要應用於可攜式儲能站。使用GaN可以降低功耗、提高功率密度並降低成本。
四個挑戰，四個機會！
在會議上，何鵬就氮化鎵裝置面臨的挑戰和前景提出了四個面向的觀點。
與矽元件相比，GaN元件在單位面積Ron面積方面具有一定優勢，但在晶圓和電流容量方面存在劣勢。解決方案是在IDM模式下提高單Die產能、降低成本，並改善製程、提高良率、降低晶圓成本。
與矽相比，GaN的閾值電壓和最大電壓都較低，這意味著GaN驅動的靈敏度更高。 有兩種解決方案。一是引入SK引腳，可以有效地將驅動電路和電源電路解耦，避免誤觸發造成的故障。 其次，從單管到密封，有效降低故障率。
GaN主要採用DFN和CSP封裝，其散熱面積比矽小。 我們可以開發頂部散熱的封裝，以增加散熱面積。 另外，開發熱阻較好的封裝形式，如銅夾和FLCSP，將使其熱阻更小。
SiC的高電壓高達1700V，而GaN的最高電壓僅為650V V。在高頻應用場景中，GaN直驅驅動器需要低電壓範圍、低閾值電壓和超好的死區時間。 其磁性材料需要具有低磁損耗、低寄生參數和更好的高頻特性。
在UHF磁性零件的設計中，對低交流損耗、低寄生參數和整合設計有一定的要求。 另外，在高功率密度的應用中，由於系統密度的增加所帶來的系統散熱和EMI特性的要求，提出了更高的要求，對PCB的設計也提出了要求。「優越的開關特性使得氮化鎵功率裝置更有利於節能減排，氮化鎵的高頻特性也促進了系統高功率密度的發展。氮化鎵作為一種新型裝置，其研發和應用仍有巨大的改進空間和潛力。 何鵬說。
新應用下的氮化鎵「革命」！
與矽相比，GaN具有寬頻隙、高電子飽和率、高擊穿電場和電場、以及較低的傳導損耗和電動勢特性。 GaN能源主要應用於消費性產品、新能源汽車、通訊和資料中心。在二氧化碳排放達峰和碳中和的背景下，氮化鎵推動能源轉換的「革命」。「根據2020年國家電力行業統計，全國社會用電量高達7.5萬億千瓦時，在這個龐大的數字下，節約的效率是巨大的。” 由此可見，GaN的低開關損耗和高頻特性將在智慧照明、機電轉換、資料中心、智慧電氣和智慧光儲存等領域廣泛應用。 」 Innocenti高級經理何鵬在集邦諮詢化合物半導體2022年前瞻性分析會上表示。
英諾賽科資深經理 賀鵬
LED照明
在LED驅動電源中，磁性元件和功率元件的散熱器體積佔總電源的1/3以上。是實現LED驅動小型化、減少磁性裝置體積，進而減少散熱器體積的較好途徑。
與矽相比，氮化鎵的開關速度顯著提高，開關損耗顯著降低，效率顯著提高。 一般來說，追求小尺寸會犧牲效率，但是氮化鎵的應用可以保證在小尺寸的情況下效率仍然可以很高。
機電轉換
馬達驅動產業已經涵蓋了我們生活的方方面面，包括常見的電動自行車、電動工具，還有倉儲機器人、外包機器人、無人機、舵機、馬達主驅動等。
以無人機為例，如果要提高續航力，就意味著需要高效率的轉換； 苛刻的體積意味著整合設計需要更高的功率密度。
GaN驅動器的應用是對馬達系統的一次系統性的全面優化，控制器的控制精度將大幅提升。 由於驅動器和馬達本體尺寸的減小，GaN的應用更有利於驅動器和馬達本體的設計，這將優化系統的整體性能和成本。
數據中心
此前，歐盟發布了2023年資料中心能源效率強制性鈦金屬要求。 鉑金的峰值效率從鈦金的94%提高到96%，這將推動伺服器電源的設計。
何鵬預計，未來伺服器電源的設計將考慮資料中心整合的效率、整合的功率密度以及成本的降低。
電動車
未來隨著高壓領域GaN元件研發技術的提高，GaN將廣泛應用於OBC、BMS和馬達驅動等領域。
光伏儲能
目前，GaN主要應用於可攜式儲能站。使用GaN可以降低功耗、提高功率密度並降低成本。
四個挑戰，四個機會！
在會議上，何鵬就氮化鎵裝置面臨的挑戰和前景提出了四個面向的觀點。
Ron*面積 vs 價格與當前容量
與矽元件相比，GaN元件在單位面積Ron面積方面具有一定優勢，但在晶圓和電流容量方面存在劣勢。解決方案是在IDM模式下提高單Die產能、降低成本，並改善製程、提高良率、降低晶圓成本。
駕駛
與矽相比，GaN的閾值電壓和最大電壓都較低，這意味著GaN驅動的靈敏度更高。 有兩種解決方案。一是引入SK引腳，可以有效地將驅動電路和電源電路解耦，避免誤觸發造成的故障。 其次，從單管到密封，有效降低故障率。
以及封裝和散熱。
GaN主要採用DFN和CSP封裝，其散熱面積比矽小。 我們可以開發頂部散熱的封裝，以增加散熱面積。 另外，開發熱阻較好的封裝形式，如銅夾和FLCSP，將使其熱阻更小。
高耐壓、大電流應用
SiC的高電壓高達1700V，而GaN的最高電壓僅為650V V。在高頻應用場景中，GaN直驅驅動器需要低電壓範圍、低閾值電壓和超好的死區時間。 其磁性材料需要具有低磁損耗、低寄生參數和更好的高頻特性。
在UHF磁性零件的設計中，對低交流損耗、低寄生參數和整合設計有一定的要求。 另外，在高功率密度的應用中，由於系統密度的增加所帶來的系統散熱和EMI特性的要求，提出了更高的要求，對PCB的設計也提出了要求。「優越的開關特性使得氮化鎵功率裝置更有利於節能減排，氮化鎵的高頻特性也促進了系統高功率密度的發展。氮化鎵作為一種新型裝置，其研發和應用仍有巨大的改進空間和潛力。 何鵬說。
國產氮化鎵突飛猛進！
INSEC成立於2015年，專注於8吋矽基GaN元件的研發與製造。目前，其總部位於珠海和蘇州。
其中，珠海生產基地已具備月產4K的產能，蘇州目前已具備6K至10,000片的產能。未來，蘇州滿載產能將達到每月65K。產品方面，英諾賽科已涵蓋150V高壓領域200/260/480/650mΩ元件。目前80mΩ元件已有樣品，明年將提供客戶樣品。低壓方面，從100V到150V實現量產，涉及雷射雷達、同步整流、馬達驅動等。同時，InnoSeco正在開發更低的電壓，包括30V和40V，以及小於3Mω和4Mω的裝置。此前，集邦諮詢發布了2021年全球GaN功率廠商市場份額預估。 2021年，InnoSeco市佔率一舉攀升至20%，躍升至全球第三位，主要受惠於其高低壓GaN產品出貨量大幅成長。 其中，快充產品首次進入第一線筆電廠商供應鏈。
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