半導體

第三代半導體氮化鎵+“新基建”=?

作者:張心怡來源:中國電子報、電子信息產業網發布時間:2020-06-14 17:22我要評論

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任你躁国语在线今年以來,氮化鎵(GaN)快充成為“網紅”產品,受到小米、OPPO、魅族等手機廠商的“熱捧”。氮化鎵在消費電子領域迅速起量的同時,其應用范圍也在持續擴展,正向新基建所涉及的5G、數據中心、新能源汽車等領域滲透。新基建將如何賦能氮化鎵,我國企業該如何抓住氮化鎵的成長契機,利用好市場窗口?

5G可率先打開商用空間

由于氮化鎵具備高頻率、高功率密度、損耗小等優勢,射頻器件成為氮化鎵最有前景的應用領域之一。5G時代,氮化鎵將加速滲透基站所需的射頻功率放大器(PA)。

集邦咨詢指出,由于硅材料存在高頻損耗、噪聲大和低輸出功率密度等特點,RF CMOS已經不能滿足要求。GaN材料憑借高頻、高輸出功率的優勢,將逐步替代Si LDMOS,大幅運用于PA。市場研究機構Yole在報告中指出,5G商用宏基站以64通道的大規模陣列天線為主,單基站PA需求達到192個。2019年全球GaN射頻器件市場規模達到5.27億美元,預計2023年將達到13.24億美元。

“5G對氮化鎵的需求增長是非常明顯的,5G基站所需的PA,為氮化鎵帶來了絕佳的市場機遇。隨著硅的性能開發逼近極限,氮化鎵替代硅切入更大帶寬、更高頻率的工作場景,使氮化鎵的優勢能充分發揮出來,這是一個技術換代帶來的市場機會。”蘇州能訊高能半導體有限公司董事總經理任勉向《中國電子報》記者表示。

任你躁国语在线今年3月,工業和信息化部在《關于推動5G加快發展的通知》中指出,將適時發布部分5G毫米波頻段、頻率使用規劃。任勉表示,毫米波基站對射頻功率器件的需求,比當前的宏基站市場更為可觀,將為氮化鎵帶來更加龐大的市場增量。

當前,我國企業已經在5G氮化鎵射頻功率器件有所布局。蘇州能訊高能半導體已建成4英寸氮化鎵芯片產線,產能達到25000片4英寸氮化鎵晶圓,以迎接5G無線通信對氮化鎵射頻芯片的市場需求。海特高新在5G宏基站的射頻GaN已實現突破,在流片工藝上,已可實現代工制造。英諾賽科、賽微電子等企業也在積極開展相關布局。

高效率特性賦能數據中心

在電力電子領域,氮化鎵充電器的市場熱度不減。除了追求高頻率、小體積的快充市場,氮化鎵在數據中心服務器電源、高端工業配電系統電源等領域也有著應用潛能。

對于數據中心,服務器運行所需的電能往往占據運營成本的“大頭”,如何提升能效比成為現代數據中心的關鍵課題。任勉指出,相對快充等體積敏感的應用領域,服務器電源將更好地發揮氮化鎵高效率、低功耗的優勢。

任你躁国语在线“氮化鎵最大的特點是功率轉化效率高。尤其在數據中心等高能耗的使用場景下,氮化鎵憑借高效率的優勢,將帶來顯著的節能效果。”任勉說。

任你躁国语在线根據數據中心運營商GaN Systems測算,GaN器件用于從AC(交流電)到DC(直流電)的電源轉換,以及轉換負載的DC電源,可以將整體效率從使用硅器件的77%提高到84%,使數據中心的功率密度增加25%以上,并將單個機架的電力成本降低2300美元以上。

新能源汽車應用進入研發期

在車規級市場,同為第三代半導體的碳化硅已經實現應用,但氮化鎵還處于研發階段。

目前,用于新能源汽車的功率器件主要有三個領域:一是電機控制器,用于驅動及控制系統;二是OBC(車載充電器),將交流電轉化為可以被新能源汽車動力電池使用的直流電;三是DC-DC直流轉換器,將動力電池的直流電轉換為低壓直流電,給儀表盤、顯示屏、監控系統等車載設備供電。專家表示,以當前的技術水平來看,氮化鎵用于DC-DC直流轉換器這個細分領域有著較為明顯的優勢。

任你躁国语在线安世半導體MOS業務集團大中華區總監李東岳向《中國電子報》記者表示,電動汽車對高效率、高功率密度有著嚴苛的要求。通過節約零組件對車內空間的占用,讓乘坐空間更加舒適。針對高功率密度、強續航能力等需求,目前的硅功率半導體材料器件已經發展到瓶頸期。氮化鎵器件的開關速度比硅MOSFET快很多,在高效率和高功率密度方面更能符合電動汽車的需求。

當前,頭部廠商對車規氮化鎵多處于研發階段。安世半導體正在研發用于高壓DC-DC直流轉換器、OBC等車用氮化鎵產品;意法半導體看好氮化鎵在OBC及48V直流轉換器的潛力,并于今年宣布與臺積電合作,共同推進氮化鎵在汽車電氣化領域的應用;納微半導體在去年路演中表示,其GaN FET相關產品和技術可用于電動汽車和混合動力車的OBC和DC-DC轉換器,可以降低能量損耗并提升開關速度,使車輛實現更快的速度和更長的里程。

“車規功率器件的認證,從A Sample到B Sample到C Sample,不管是可靠性還是方案的成熟度,都需要一定的驗證時間。目前氮化鎵在車規領域的應用還處于初級階段,但未來幾年預計會呈現遞進式的增長。”李東岳說。

GaN應用多項挑戰待解

雖然氮化鎵在多個新基建領域具備應用前景,但其仍處于發展初期,在技術開發、產品驗證、市場滲透等方面,還有待進一步催熟和突破。

任勉指出,在5G射頻領域,射頻的技術壁壘比電力電子高得多。電力電子工藝主要涉及材料、器件設計、前道工藝和后道封測。但射頻器件多了一個電磁波的技術維度,涉及射頻電路、射頻功放以及微波電子等,技術門檻更高。

任你躁国语在线在車用領域,李東岳表示,主要存在四方面的挑戰:一是車用領域的功率要求波動較大,需要在所有工況下,保持器件參數的長期穩定;二是車規功率器件長期處于高振動、高濕度、高溫度的工作環境,要求器件在應對熱應力和機械應力的過程中有著極高的可靠性;三是車在裝備的過程中,在體積重量和制造成本上都有嚴格的要求,功率器件必須契合汽車裝備本身的需要;四是車規器件需要做到15年到20年的使用壽命,技術門檻很高。

任你躁国语在线對于我國企業該如何利用好5G等新基建領域為氮化鎵帶來市場機遇,集邦咨詢分析師王尊民表示,在5G基站及數據中心服務器等使用場景,相關技術仍受國際大廠控制,因此我國廠商在其中參與的機會比較少。

“目前,我國廠商若要緊隨新基建的發展趨勢,首先要強化自身的制造與技術研發能力,例如RF通訊、電力傳輸的制造實力,才會逐步在相關應用領域站穩腳跟。”王尊民說。

任你躁国语在线任勉指出,面向5G等領域的需求,我國氮化鎵相關企業要提前三到五年布局,進行五年左右的技術積累和三年左右的產能建設。

“市場窗口往往稍縱即逝,一旦市場格局成形,企業再想進入并獲得市場主動權,就會比較困難。要提前準備技術、產能、人才,提升布局效率,抓緊時間切入。”任勉說。


責任編輯:趙強
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