四個氮化鎵在新應用領域下的機遇！

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2022-03-17 09:23:22 5

2021年，隨著5G、消費電子、工業能源轉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 TrendForce集邦咨詢研究顯示，GaN功率元件至2025年市場規模將達 13.2億美元，年復合成長率高達 94%。

新應用下，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損耗和 EMF 特性。 GaN能源主要用于消費產品、新能源汽車、通信和數據中心。
在碳達峰、碳中和的背景下，氮化鎵推動能源轉換“革命”。
“據2020年全國電力工業統計數據，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。由此我們可以看出，GaN的低開關損耗和高頻化的特點將會在智慧照明、機電轉換、數據中心、智能電動和智能光儲上有較廣泛的應用。”在2022集邦咨詢化合物半導體新應用前瞻分析會上，英諾賽科*經理賀鵬表示。
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英諾賽科*經理賀鵬

LED照明

在LED驅動電源中，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LED驅動的小型化，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。

氮化鎵在開關速度上比硅有明顯的提升，它的開關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。

機電轉換

電機驅動行業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、外協機器人、無人機、伺服，還有電機的主驅。
以無人機為例，若想提升續航，就意味著對高效能轉化的要求；對體積的苛刻，意味著一體化的設計，對高功率密度有更高的要求。
氮化鎵對驅動器的應用，是對電機系統有一個系統性的綜合優化，控制器的控制精度將會有大幅提升。由于驅動器和電機本體尺寸的下降，GaN的應用更有利于驅動器和電機本體的驅動設計，對系統的綜合性能和成本都會有一定的優化。

數據中心

此前，歐盟頒布2023年針對數據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器電源的設計將會有著質的推動。

賀鵬預計服務器電源在未來的設計上，對集成數據中心的效率，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器件在高壓領域的研發技術提升，GaN在OBC、BMS以及電機驅動上也會有比較廣泛的應用。

光伏儲能

目前，GaN主要應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。

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Source：拍信網

四個挑戰，四個機遇！

會上，就氮化鎵器件的挑戰和展望，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。

驅動

GaN相對硅的閾值電壓和最大值電壓都偏低，這就意味著GaN驅動的敏感度更高。解決方法有二，一是引入SK引腳，可將驅動回路和功率回路有效解耦，避免誤觸發帶來的故障；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。我們可以開發頂部散熱的封裝，以增加散熱面積。另外，開發熱阻更優的封裝形式，比如copper clip，以及FLCSP，它們的熱阻會更小。

高耐壓和大電流應用

SiC的高電壓高達1700V，GaN最高才達到650V，這就需要對技術路線和工藝進行改進，使得GaN在高壓上和大電流上接近并突破理論限值。

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

國產氮化鎵突飛猛進！

英諾賽科成立于2015年，專注于8寸硅基GaN器件的研發和制造，目前立足于珠海和蘇州兩大生產基地。
其中，珠海的生產基地已經具備了月生產4K的產能，蘇州目前已經具備6K到1萬片的生產產能，未來蘇州滿產能將達到65K每月的產能。
產品方面，英諾賽科在650V高壓領域件已覆蓋150/200/260/480mΩ多類器件，目前80mΩ器件已經有樣片，明年將會有樣片提供給客戶。
低壓方面，在100V到150V實現量產，涉及到激光雷達、同步整流、電機驅動。
同時，英諾賽科正在開發更低電壓，包括30V、40V，以及小于3mΩ、4mΩ的器件。
此前， TrendForce集邦咨詢發布了2021年全球GaN功率廠商出貨量市占率預估。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產品出貨量大幅增長。其中，快充產品更*進入一線筆電廠商供應鏈。

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