GaN和 SiC令人印象深刻的品質(zhì)使它們深受業(yè)內(nèi)人士的喜愛(ài)。然而，它帶來(lái)了滿足生產(chǎn)和供應(yīng)需求的挑戰(zhàn)，因此專業(yè)人士、投資者和工業(yè)家正在合作以確保足夠的可用性。這是因?yàn)殡S著氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 的采用，電力電子技術(shù)走上了一條非凡的道路。Yole Développement (Yole) 估計(jì)了這些寬帶隙材料的總體情況。雖然硅仍然占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位，但 GaN 和 SiC 器件的出現(xiàn)一直在引領(lǐng)技術(shù)走向新的高效成果。

在技術(shù)基礎(chǔ)上，碳化硅技術(shù)側(cè)重于在更大直徑和功率模塊開(kāi)發(fā)上提高碳化硅晶圓質(zhì)量。在 GaN 領(lǐng)域，主要趨勢(shì)是 GaN 器件集成——系統(tǒng)級(jí)封裝或片上系統(tǒng)解決方案。

碳化硅

“在過(guò)去的幾年里，我們看到了從 4 英寸到 6 英寸的轉(zhuǎn)變。而現(xiàn)在，越來(lái)越多的設(shè)備制造商正在開(kāi)發(fā)六英寸。我們理解的是，今天，高質(zhì)量的六英寸晶圓仍然難以生產(chǎn)。就基板生長(zhǎng)和準(zhǔn)備而言，這仍然具有挑戰(zhàn)性，這將直接影響您在接下來(lái)的工藝中的良率。因此，設(shè)備制造商的想法是從頭到尾使用優(yōu)質(zhì)材料，真正最大限度地提高產(chǎn)量，當(dāng)然，還要節(jié)約產(chǎn)品成本”，Ezgi Dogmus博士說(shuō)。Yole Développement 的技術(shù)和市場(chǎng)分析師。

她繼續(xù)說(shuō)道，“我們看到了來(lái)自 Cree、II-VI Advanced Materials、Sicrystal 和中國(guó)玩家等領(lǐng)先企業(yè)的大量投資。許多參與者都參與了這一領(lǐng)域。“基板供應(yīng)商 Cree/Wolfspeed、SiCrystal 與英飛凌科技和 ST 微電子等設(shè)備制造商簽署了多年供應(yīng)協(xié)議。”

成本優(yōu)化促使許多公司開(kāi)發(fā)商業(yè)模式以正確供應(yīng) SiC 襯底。

2018年至2019年期間，意法半導(dǎo)體、英飛凌、ON Semi等公司與Cree、SiCrystal等領(lǐng)先的SiC襯底供應(yīng)商簽訂了多年的襯底供應(yīng)協(xié)議。為了專注于大批量市場(chǎng)，功率 GaN 行業(yè)的主要趨勢(shì)之一是與臺(tái)積電 (TSMC)、X-Fab 或 Episil Technologies 等老牌代工廠合作。

圖 1：功率 SiC 長(zhǎng)期演進(jìn)（來(lái)源：Yole）

“我們知道 ST 與特斯拉在碳化硅主逆變器方面有合作關(guān)系，因此它代表了當(dāng)今碳化硅市場(chǎng)的最高銷(xiāo)量。我們還看到英飛凌和 ON Semi 參加了比賽，因此他們也真正瞄準(zhǔn)了工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用，”Ezgi 說(shuō)。

所有這些合作的想法是保證碳化硅襯底的供應(yīng)。

“On Semi 也在開(kāi)發(fā)其內(nèi)部碳化硅襯底。他們還與 GTAT 就碳化硅晶體供應(yīng)達(dá)成協(xié)議。為他們提供高質(zhì)量，并將他們垂直整合到供應(yīng)鏈中并對(duì)他們的材料進(jìn)行全面控制至關(guān)重要，”Egzi 說(shuō)。

她繼續(xù)說(shuō)道：“我們認(rèn)為，展望未來(lái)，玩家將更多地關(guān)注模塊部分，因?yàn)槲覀儗⒚闇?zhǔn)大功率應(yīng)用，例如主逆變器和充電基礎(chǔ)設(shè)施，以及所有這些應(yīng)用。還需要大功率模塊。”

氮化鎵

消費(fèi)者主導(dǎo)了功率GaN市場(chǎng)，主要受快速充電器推動(dòng)。我們已經(jīng)看到了這些設(shè)備的大量集成。“對(duì)于消費(fèi)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)明顯的技術(shù)趨勢(shì)。因此，我們有 GaN 系統(tǒng)級(jí)封裝和 GaN 片上系統(tǒng)。這些是現(xiàn)在為快速充電器提供的主要解決方案，”Ahmed Ben Slimane 博士說(shuō)。Yole Développement 的技術(shù)和市場(chǎng)分析師。

圖 2：功率 GaN 長(zhǎng)期演進(jìn)（來(lái)源：Yole）

他繼續(xù)說(shuō)道，“例如，對(duì)快速充電器的要求是功率密度和效率。因此，我們必須以這種形式壓縮系統(tǒng)并降低每功率的價(jià)格。我們已經(jīng)看到來(lái)自中國(guó)原始設(shè)備制造商 (OEM) 為 Navitas 和 Power Integrations 等供應(yīng)商提供的快速充電器的大量采用。”

在處理基板時(shí)，我們有兩種：硅和藍(lán)寶石。硅在 6 英寸上保持開(kāi)發(fā)，但一些玩家在 8 英寸上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Gan-on-Sapphire 是另一種正在部署的材料。

“我們?nèi)詫⒖吹交?GaN 的分立器件，但它更適合高功率應(yīng)用，例如數(shù)據(jù)中心或基站電源，”Ahmed 說(shuō)

在射頻 GaN 領(lǐng)域，“華為早在幾年前就已經(jīng)在其 4G LTE 基站中采用了氮化鎵功率放大器。隨著 5G 的到來(lái)，我們還必須走向 3GHz 以外的更高頻率。盡管如此，我們?nèi)苑Q它們?yōu)榈陀?6 GHz。氮化鎵的潛力越來(lái)越大，因?yàn)樵诟哳l下，與LDMOS相比，功率密度仍然非常出色，功率附加效率也隨之而來(lái)。” 添加了 Ezgi。

圖 3：功率 GaN 市場(chǎng)（來(lái)源：Yole）

GaN 技術(shù)的采用將在 5G sub-GHz 中具有重要意義，特別關(guān)注其在高功率基站和新型有源天線系統(tǒng)中的使用。在后一種情況下，想法是使用低功率有源天線，但更多天線需要各種功率放大器。要考慮的一個(gè)參數(shù)是電源效率。

功率效率是放大器 RF 域中的一個(gè)重要參數(shù)，因?yàn)樗鼤?huì)告訴您它會(huì)發(fā)熱多少，在散熱方面會(huì)損失多少。

“通過(guò)用 GaN 取代硅技術(shù)，我們依靠游戲的效率來(lái)提供更快的切換。就電源本身的體積減小而言，數(shù)據(jù)中心容量增加，這對(duì)于GaN器件來(lái)說(shuō)非常重要，”Ezgi說(shuō)。

“對(duì)于數(shù)據(jù)中心采用氮化鎵的情況，我們現(xiàn)在看到采用速度緩慢；這是因?yàn)槿狈ΡO(jiān)管。”

因此，政府需要對(duì)數(shù)據(jù)中心實(shí)施嚴(yán)格的指導(dǎo)方針，以降低能耗；艾哈邁德說(shuō)，那么我們將能夠在這個(gè)應(yīng)用程序中看到更高的滲透率

隨著高效率要求的提高，與硅相比，氮化鎵確實(shí)將發(fā)揮重要作用，而硅仍在履行當(dāng)前的義務(wù)。全 SiC 模塊的開(kāi)發(fā)活動(dòng)非常顯著，特別關(guān)注封裝材料，例如芯片貼裝和基板互連。

功率模塊的封裝必須適合碳化硅器件。必須存在一種新型封裝來(lái)滿足 100% 碳化硅的要求，您可以從中受益于高溫操作、高頻開(kāi)關(guān)等。

審核編輯 黃昊宇