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宽禁带半导体器件的春天要来了吗?

电力电子产品正在蓬勃发展,从智能手机、汽车、数据中心、到可再生能源系统,电子产品已经成为了我们生活中越来越大的一部分,而宽禁带半导体在实现这一切的过程中将发挥重要作用。相信未来几年将会是宽禁带半导体发展的“春天”……

从智能手机和互联网,到家电、工厂和汽车,电力电子产品已经成为了我们生活的一部分。随着云计算、工业4.0,以及电动汽车和自动驾驶等领域的发展,电力电子产品的设计和开发的革命正在全面展开,人们除了关注电力电子产品的安全性和可靠性之外,也开始关注效率、性能和尺寸问题了,这让人们开始认识到我们需要对现在能源的产生、分配和管理模式做一些改变了。

特别是近几年来,在电动汽车的推动下,SiC功率器件的需求猛增。据Yole统计,2017年SiC功率器件业务达到3.02亿美元,较2016年的2.48亿美元增长22%。由于采用了SiC MOSFET模块的特斯拉Model 3产能增长,在汽车行业的推动下,预计2018年会实现飞跃。Yole估计,到2023年,SiC功率半导体市场将达到15亿美元。

安森美半导体Technical Fellow,SiC开发领域负责人Thomas Neyer也透露,“今天的SiC市场已经是3.5亿美元的市场。”他预计未来五年内会增长到13亿美元。

他还补充说,如果未来几年成本加速下降,这一预测很容易翻番,甚至增至3倍。Thomas Neyer承认目前GaN的使用率还比较低,市场规模小于5000万美元,“但在未来5到10年,GaN将会主导80V~600V的中压应用,并有可能在该领域完全取代硅基MOSFET,吞食掉这一超过100亿美元的市场蛋糕。”

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图1:安森美半导体Technical Fellow,碳化硅(SiC)开发领域负责人Thomas Neyer

为何是宽禁带半导体?

GaN晶体管在20世纪90年代首次出现,2010年宜普电源转换公司(EPC)推出第一个器件后,宣布了GaN开始了的正式商业化应用之路。SiC二极管自2001年推出,到现在已经进入了所有高性能电源、可再生能源和电机驱动应用领域。

基于SiC的功率半导体用于600V~10kV应用。大多数SiC应用是在600V到1700V,但当电压达到3.3kV~10kV时,它他仍然非常适合,例如风力发电和小型电网。而GaN适用于30V~600V的中压电源应用。因此,GaN和SiC其实是互补的技术,而非相互竞争的技术。

最近几年GaN的应用开始逐渐增多,比如近几年兴起的汽车用激光雷达(LiDAR)有很多就是采用了GaN器件来做高频开关的;在电动汽车市场,EPC和Transphorm的GaN器件已经取得了车规认证,为汽车领域使用GaN器件做好了准备;在消费电子领域,据悉苹果公司对基于GaN技术的无线充电解决方案充满了兴趣,Navitas和Exagan今年已推出一款集成了GaN解决方案的45 W快速充电电源适配器。

GaN Systems公司CEO Jim Witham在接受采访时表示,电力电子技术正在蓬勃发展,GaN可作为数据中心、汽车、可再生能源、工业和消费电子等解决方案的基石技术。这是因为GaN与硅基功率器件相比有很明显的优势。

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图2:GaN Systems公司CEO Jim Witham

GaN和SiC等宽禁带半导体具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点,可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求。

ADI在一篇技术文章中谈到,从工程角度来看,SiC和GaN具有的优势主要有下面4个:

首先,宽禁带半导体具有卓越的dV/dt切换性能,这意味着开关损耗非常小。这使得高开关频率(SiC为50 kHz至500 kHz,GaN为1 MHz以上)成为可能,结果有助于减小磁体体积,同时提升功率密度。

二是,电感值、尺寸和重量能减少70%以上,同时还能减少电容数量,使最终转换器的尺寸和重量仅相当于传统转换器的五分之一。

三是无源元件和机械部件(包括散热器)的用量可节省约40%,增值部分则体现在控制电子IC上。

四是宽禁带半导体对高结温具有超高的耐受性,这种耐受性有助于提升功率密度,减少散热问题。

现代电子技术偏爱高压,转向宽禁带半导体的高压系统,是因为:首先,高压意味着低电流,这也意味着系统所用的铜总量会减少,结果会直接影响到系统成本的降低;其次,宽禁带技术(通过高压实现)的阻性损耗减少,结果意味着更高的效率,还能减小冷却系统的尺寸,降低其必要性;最后,在子系统层次,它们使工程师可以从基于基板功率模块的设计转向分立式设计或基于功率模块的轻型设计。这也就是说要采用兼容型PCB和较小的电线,而不是采用汇流条和较重的电线。

在Jim Witham看来,目前最适合宽禁带半导体应用的市场有数据中心、汽车、可再生能源等行业。“数据中心、汽车和可再生能源之前是三个非常独立的市场,而现在发生了巨大的变化,它们开始变得相互关联了。它们现在都非常关注效率问题。”

在数据中心方面,现在数据中心消耗的电量占全球总用电量的2%,Jim Witham认为未来可能会到5%,甚至更多。“GaN技术可以发挥重要作用,通过在服务器机架中使用更高效和更小的电源,可以在同一机架空间中,使用更多的服务器,这就意味着该数据中心可以获得更多的收入。”

当然,数据中心除了关注轻量级和小尺寸外,更为关注的其实是能源效率问题,因为在数据中心的运营成本里,有40%是电力成本。降低能源消耗,可以节省一大笔成本。Jim Witham表示,“微软在过去5年,数据中心规模增长了5倍,预计未来5年内,数据中心的规模会增长5到10倍。”

现在,数据中心开始与汽车行业联系起来了,汽车公司也预测其数据中心将增长10倍。因为自动驾驶会收集大量数据,并将一部分数据发送到云端,然后对其进行分析,并通过AI和机器学习后,在返回给汽车,以实现自动驾驶的目标。

意法半导体总裁兼CEO Jean-Marc Chery也看到了宽禁带半导体的市场前景。他在参加ASPENCORE举办的“全球双峰会”的主题演讲中就提到,ST在积极推进SiC器件的产业化,他认为SiC器件是赋能电动汽车的关键技术。

电动汽车和自动驾驶是驱动汽车市场向前发展的两大驱动因素。在汽车当中有三大应用是与电源相关的,即充电器、DC-DC转换器和牵引逆变器。在这三大用途中,牵引逆变器是目前为止可以从GaN和SiC技术中受益最多的。因为使用GaN和SiC器件后,可以减轻汽车的重量,提高能效,让电动汽车能够行驶更远距离,同时可以使用更小的电池和冷却系统。

在自动驾驶中,由于汽车中需要安装很多传感器,而GaN可以帮助LiDAR改善传感器的性能,还有车内为手机和电脑充电的无线充电,也是GaN的用武之地。

Thomas Neyer也认为,从2020年起,宽禁带器件将主导电动汽车的关键应用,包括充电基础设施、车载充电器、牵引逆变器和车载DC-DC转换器。此外,服务器电源和5G基础设施可在高压直流(HVDC)输电类型的拓扑中使用宽禁带器件。

宽禁带半导体面临的挑战

虽然GaN和SiC等宽禁带半导体正在快速增长中,但其实它们的发展还是面临着许多挑战的。

首先是所有新技术在推广初期都会遇到的成本问题。据Yole统计,目前SiC MOSFET器件的每安培成本比同类IGBT高出五倍以上。这主要是由于下游应用目前大多处在研发阶段,还没有形成批量产业化,尤其是在国内。孙克博士在9月份的“2018年国际泛半导体投资论坛”上表示,“从整个国际半导体市场来看,我们判断宽禁带半导体基本上处在爆发式增长的前期。”

安森美的Thomas Neyer对成本没那么在意,他认为宽禁带半导体目前遇到的最大挑战在于为了充分利用SiC器件的功率和性能,必须对封装进行显著改进。因为SiC器件的尺寸要小得多,因此,必须优化分立封装和模块的热性能,为此需要改进粘晶材料(die attach materials)和方法,这需要直接散热和/或双面散热的方案。提高开关速度需要尽可能降低寄生电感,高电流密度需要覆晶(flip-chip)和非引线键合(non-wire bonded)方案。

他同时强调,真正的挑战是为市场提供强固和高性能的器件,实现与硅电源半导体相当或优于硅电源半导体的稳定和可靠的运行。而这需要深入的专知和了解SiC故障模式。

在孙克博士看来,最大的挑战来自材料的制备,“做芯片、做模块可以借鉴硅的技术,但是材料的制备难度非常大,碳化硅的制备和硅的制备不同,这是制约产业发展很核心的障碍。要先解决材料问题,降低材料成本,然后再提高材料的一致性。”

宽禁带半导体的现状和未来

当前市场上,大约有15家SiC二极管制造商和约5家SiC MOSFET制造商,还有一些公司致力于SiC JFET、SiC BJT或SiC IC技术。现阶段对于更多供应商还有足够的发展空间。

目前ROHM,英飞凌、美高森美(Microsemi) 、安森美等公司都在投入SiC的研发和产品量产。

安森美半导体已确定SiC技术为下一代电源管理器件技术的核心战略,并相应地大量投资于制造基础设施和技术专长。“因此,我们提供不同尺寸和封装的600 V至1700 V SiC二极管和900 V至1200 V SiC MOSFET,并积极致力于扩增产品阵容,虽然这其中一些技术要在未来2至3个季度才投放到市场,但安森美半导体已看到这些技术对所有工业和汽车高功率市场有很大的吸引力。” Thomas Neyer对《电子工程专辑》表示。

Jean-Marc Chery表示,“SiC器件是赋能电动汽车的关键技术,我们的SiC器件已经量产, 我们是SiC唯一供应商,同时我们和行业领先汽车保持合作,我们有30多个SiC项目在汽车上被广泛采用。”他透露,“今年我们在SiC市场会占据90%份额,这个市场到2020年会有6亿美元规模。到2025年会有30亿美元规模而我们会占据30%市场份额。”

英飞凌在11月13日宣布以1.24亿欧元的价格收购德国初创公司Siltectra,将“冷切割”(Cold Spilt)这项创新技术收入囊中。这是一种高效的晶体材料加工工艺,能够将材料损失降到最低。英飞凌将会把这项技术用到SiC晶圆切割上,从而让单片晶圆可出产的芯片数量翻番。

英飞凌 CEO Reinhard Ploss 博士表示:“此次收购有助于我们利用 SiC 新材料,并拓展我司优秀的产品组合。我们对薄晶圆技术的系统理解和独特的专业知识,将与 Siltectra 的创新能力和冷切割技术相辅相成。”

Ploss还希望该技术有助于改善其经济和资源使用,特别当前不断增长的电动汽车业务。

一直致力于硅基GaN的研究的MACOM也在今年2月份宣布了与ST的一份硅基GaN合作开发协议,来增强GaN器件的供应能力。MACOM预计这项协议在扩大MACOM供应来源的同时,还将促进扩大规模、提高产能和成本结构优化,从而加速硅基氮化镓技术在大众市场的普及。

总之,电力电子产品正在蓬勃发展,从智能手机、汽车、数据中心、到可再生能源系统,电子产品已经成为了我们生活中越来越大的一部分,而宽禁带半导体在实现这一切的过程中将发挥重要作用。相信未来几年将会是宽禁带半导体发展的“春天”。

本文同步刊登于《电子工程专辑》2018年12月刊

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