近年來，基于硅(Si)、砷化鎵(GaAs)半導(dǎo)體材料的功率器件受材料性能所限，正接近物理極限，產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入瓶頸期。而以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、擊穿電場強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高等特點(diǎn)，得到越來越廣泛的應(yīng)用。工業(yè)市場對產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性有更高要求，因此SiC和GaN器件在工業(yè)市場有著更大的市場應(yīng)用空間。意法半導(dǎo)體(ST)是工業(yè)半導(dǎo)體市場領(lǐng)先的供應(yīng)商之一，近年來也在持續(xù)推進(jìn)SiC和GaN器件在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。日前，意法半導(dǎo)體舉辦工業(yè)媒體交流會。意法半導(dǎo)體亞太區(qū)功率分立和模擬產(chǎn)品器件部區(qū)域營銷和應(yīng)用副總裁沐杰勵介紹了SiC和GaN器件在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展情況，以及意法半導(dǎo)體的相關(guān)產(chǎn)品解決方案。
SiC MOSFET 在工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒈３?2%平均增長率
SiC是第三代半導(dǎo)體材料的代表。目前硅基MOSFET應(yīng)用多在1000V以下，約在600~900V之間，若超過1000V，芯片尺寸會很大，切換損耗、寄生電容也會上升。SiC器件相對于Si器件的優(yōu)勢之處在于降低能量損耗、更易實(shí)現(xiàn)小型化和更耐高溫。
在工業(yè)市場，SiC器件主要應(yīng)用于直流充電樁及智能電網(wǎng)、工業(yè)用電等領(lǐng)域，如SiC功率器件在智能電網(wǎng)的主要應(yīng)用包括高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器等電力電子變壓器裝置中，可以帶來高效率、大功率、高頻率的優(yōu)勢。其中，2018-2025年SiC MOSFET在工業(yè)領(lǐng)域預(yù)計將保持在12%的平均增長速度。
沐杰勵表示，意法半導(dǎo)體在SiC器件方面，擁有廣泛的解決方案，包括分立器件、裸芯片、模塊和持續(xù)擴(kuò)大的產(chǎn)能，以支持市場的加速擴(kuò)張。本次交流會上，意法半導(dǎo)體展示了采用SiC器件與數(shù)字控制的15kW雙向PFC(3級T型)，解決方案涵蓋32位MCU STM32G474、SiC MOSFET SCTW35N65G2V、電氣隔離柵極驅(qū)動器STGAP2S、模擬溫度傳感器STLM20W87F、高壓變換器VIPer26K。SiC MOSFETs搭配STM32G474可實(shí)現(xiàn)70kHz高開關(guān)頻率運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)更高的運(yùn)行效率，預(yù)計一年內(nèi)將會至少節(jié)省330千瓦的能量(以每天運(yùn)行12小時為例)。
意法半導(dǎo)體對于SiC器件的發(fā)展非常重視。去年12月，意法半導(dǎo)體完成了對瑞典SiC晶圓制造商N(yùn)orstel的整體收購。當(dāng)前SiC晶圓存在供貨短缺的情況，意法半導(dǎo)體收購Norstel股權(quán)，一方面是擴(kuò)大SiC的貨源，另一方面也是看中了它的新技術(shù)。意法半導(dǎo)體總裁兼首席執(zhí)行官Jean-Marc Chery表示：“在全球碳化硅產(chǎn)能受限的大環(huán)境下，整體并購Norstel將有助于增強(qiáng)ST內(nèi)部的SiC生態(tài)系統(tǒng)，提高我們的生產(chǎn)靈活性，使我們能夠更好地控制芯片的良率，進(jìn)行質(zhì)量改進(jìn)，并為我們的碳化硅長遠(yuǎn)規(guī)劃和業(yè)務(wù)發(fā)展提供支持?！?/p>
據(jù)悉，Norstel正在開發(fā)一種可提高SiC晶圓質(zhì)量且降低成本的制造技術(shù)。收購Norstel后，意法半導(dǎo)體將可以加強(qiáng)SiC的垂直整合，形成成本優(yōu)勢。Norstel被整合到意法半導(dǎo)體的全球研發(fā)和制造業(yè)務(wù)中，有助于繼續(xù)發(fā)展150mmSiC裸片和外延片的生產(chǎn)，同時研發(fā)200mm晶圓以及更廣泛的寬禁帶材料。
適用低壓高頻，GaN充電領(lǐng)域快速啟動
由于GaN的禁帶寬度較大，利用GaN可以獲得更大帶寬、更大放大器增益、生產(chǎn)尺寸更小的半導(dǎo)體器件。在工業(yè)市場，GaN器件產(chǎn)品包括SBD、FET等面向無線充電、電源開關(guān)等的產(chǎn)品。目前市面上的GaN充電器可支持USB快充，以27W、30W和45W功率居多。在本次見面會上，意法半導(dǎo)體介紹了采用一款采用GaN FET SiP 半橋驅(qū)動的65W Type-C & PD充電器。該方案的驅(qū)動器與2個650V GaN FETs采用同一封裝，開關(guān)頻率達(dá)到350kHz，功率密度比市場標(biāo)準(zhǔn)高1.5倍至2倍。
意法半導(dǎo)體對于GaN的開發(fā)也十分重視。今年2月，意法半導(dǎo)體宣布與臺積電在GaN方面加強(qiáng)合作。意法半導(dǎo)體將采用臺積公司的氮化鎵工藝技術(shù)來生產(chǎn)GaN產(chǎn)品。臺積電業(yè)務(wù)開發(fā)副總經(jīng)理張曉強(qiáng)表示，期待和意法半導(dǎo)體合作把GaN功率電子的應(yīng)用帶進(jìn)工業(yè)與汽車功率轉(zhuǎn)換。臺積電氮化鎵制造專業(yè)結(jié)合意法半導(dǎo)體的產(chǎn)品設(shè)計與汽車級驗(yàn)證能力，將大幅提升節(jié)能效益，支援工業(yè)及汽車功率轉(zhuǎn)換之應(yīng)用。
日前，意法半導(dǎo)體還收購了法國GaN創(chuàng)新企業(yè)Exagan公司的多數(shù)股權(quán)。Exagan在GaN外延工藝、產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)，意法半導(dǎo)體對其收購將拓寬在工業(yè)、汽車等領(lǐng)域，GaN產(chǎn)品的應(yīng)用與發(fā)展。
意法半導(dǎo)體公司總裁兼首席執(zhí)行官Jean-Marc Chery表示：“意法半導(dǎo)體的碳化硅發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，現(xiàn)在我們正在擴(kuò)大對另一種前景很好的復(fù)合材料--氮化鎵的投入，以促進(jìn)汽車、工業(yè)和消費(fèi)市場客戶采用GaN功率產(chǎn)品。”
新基建加速第三代半導(dǎo)體在工業(yè)市場應(yīng)用
近日，中國開始大力推動新基建的實(shí)施。這對SiC和GaN等第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用拓展將起到有效的帶動作用。
沐杰勵表示，新基建對于SiC器件而言，是一個巨大的機(jī)會，ST已經(jīng)與市場中的主要參與者合作，以滿足這一新的要求。ST與客戶一起開發(fā)解決方案，并通過開發(fā)專用的SiC產(chǎn)品，用MCU開發(fā)數(shù)字控制解決方案。ST還在研究其他組件，例如，在充電站充電時，需要在汽車和充電站之間通信，并設(shè)定需要傳輸?shù)碾娔芄β?。同時，沐杰勵認(rèn)為，GaN器件也有其市場空間。GaN的優(yōu)勢在于其開關(guān)頻率非常高。高開關(guān)頻率意味著可以使用尺寸更小的無源元件。如果需要減小器件的外形尺寸，這時GaN將發(fā)揮重要作用。
根據(jù)沐杰勵的估算，在其所負(fù)責(zé)的亞洲區(qū)市場上，2019年SiC的工業(yè)市場規(guī)模是1.5億美元。這是一個非常樂觀的數(shù)字。關(guān)于GaN，人們也可以看到一些應(yīng)用，例如一些公司推出的充電器和一些用于圖騰柱技術(shù)的設(shè)備。因此估算亞洲地區(qū)工業(yè)GaN市場規(guī)模近2500萬美元。
至于SiC與GaN的量產(chǎn)成本仍高于Si，這是否會影響在工業(yè)控制的應(yīng)用者意愿?沐杰勵認(rèn)為：“用戶會做出明智的選擇。哪些設(shè)備采用SiC或GaN，哪里的客戶就會獲得更低的支出/成本，如更低的個人電費(fèi)支出，更短的手機(jī)充電時間，更快的汽車充電時間，更低的耗散功率，更清潔的能源解決方案等。在此情況下，客戶會發(fā)現(xiàn)成本并不如想象得那樣高。我們?yōu)閮r值埋單，尤其是在B2B市場上。因此，如果該解決方案能夠滿足客戶需求，并且總體成本，而不是一個器件的成本相對較低，將對市場有利。”
“當(dāng)然，寬帶隙技術(shù)成熟起來還有很長的路要走。但不應(yīng)該讓價格將其限制住。眾所周知，成本將隨著產(chǎn)量提升而下降。我們不應(yīng)把它列為首要考慮的問題?！便褰軇钪赋觥?/p>
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