今年以來,氮化鎵(GaN)快充成為“網(wǎng)紅”產(chǎn)品,受到小米、OPPO、魅族等手機(jī)廠商的“熱捧”。氮化鎵在消費(fèi)電子領(lǐng)域迅速起量的同時(shí),其應(yīng)用范圍也在持續(xù)擴(kuò)展,正向新基建所涉及的5G、數(shù)據(jù)中心、新能源汽車等領(lǐng)域滲透。新基建將如何賦能氮化鎵,我國(guó)企業(yè)該如何抓住氮化鎵的成長(zhǎng)契機(jī),利用好市場(chǎng)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(yōu)勢(shì),射頻器件成為氮化鎵最有前景的應(yīng)用領(lǐng)域之一。5G時(shí)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(diǎn),RF CMOS已經(jīng)不能滿足要求。GaN材料憑借高頻、高輸出功率的優(yōu)勢(shì),將逐步替代Si LDMOS,大幅運(yùn)用于PA。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Yole在報(bào)告中指出,5G商用宏基站以64通道的大規(guī)模陣列天線為主,單基站PA需求達(dá)到192個(gè)。2019年全球GaN射頻器件市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到5.27億美元,預(yù)計(jì)2023年將達(dá)到13.24億美元。
“5G對(duì)氮化鎵的需求增長(zhǎng)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(chǎng)機(jī)遇。隨著硅的性能開發(fā)逼近極限,氮化鎵替代硅切入更大帶寬、更高頻率的工作場(chǎng)景,使氮化鎵的優(yōu)勢(shì)能充分發(fā)揮出來,這是一個(gè)技術(shù)換代帶來的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。”蘇州能訊高能半導(dǎo)體有限公司董事總經(jīng)理任勉表示。
今年3月,工業(yè)和信息化部在《關(guān)于推動(dòng)5G加快發(fā)展的通知》中指出,將適時(shí)發(fā)布部分5G毫米波頻段、頻率使用規(guī)劃。任勉表示,毫米波基站對(duì)射頻功率器件的需求,比當(dāng)前的宏基站市場(chǎng)更為可觀,將為氮化鎵帶來更加龐大的市場(chǎng)增量。
當(dāng)前,我國(guó)企業(yè)已經(jīng)在5G氮化鎵射頻功率器件有所布局。蘇州能訊高能半導(dǎo)體已建成4英寸氮化鎵芯片產(chǎn)線,產(chǎn)能達(dá)到25000片4英寸氮化鎵晶圓,以迎接5G無線通信對(duì)氮化鎵射頻芯片的市場(chǎng)需求。海特高新在5G宏基站的射頻GaN已實(shí)現(xiàn)突破,在流片工藝上,已可實(shí)現(xiàn)代工制造。英諾賽科、賽微電子等企業(yè)也在積極開展相關(guān)布局。
高效率特性賦能數(shù)據(jù)中心
在電力電子領(lǐng)域,氮化鎵充電器的市場(chǎng)熱度不減。除了追求高頻率、小體積的快充市場(chǎng),氮化鎵在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源、高端工業(yè)配電系統(tǒng)電源等領(lǐng)域也有著應(yīng)用潛能。
對(duì)于數(shù)據(jù)中心,服務(wù)器運(yùn)行所需的電能往往占據(jù)運(yùn)營(yíng)成本的“大頭”,如何提升能效比成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵課題。任勉指出,相對(duì)快充等體積敏感的應(yīng)用領(lǐng)域,服務(wù)器電源將更好地發(fā)揮氮化鎵高效率、低功耗的優(yōu)勢(shì)。
“氮化鎵最大的特點(diǎn)是功率轉(zhuǎn)化效率高。尤其在數(shù)據(jù)中心等高能耗的使用場(chǎng)景下,氮化鎵憑借高效率的優(yōu)勢(shì),將帶來顯著的節(jié)能效果。”任勉說。
根據(jù)數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商GaN Systems測(cè)算,GaN器件用于從AC(交流電)到DC(直流電)的電源轉(zhuǎn)換,以及轉(zhuǎn)換負(fù)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(shù)據(jù)中心的功率密度增加25%以上,并將單個(gè)機(jī)架的電力成本降低2300美元以上。
新能源汽車應(yīng)用進(jìn)入研發(fā)期
在車規(guī)級(jí)市場(chǎng),同為第三代半導(dǎo)體的碳化硅已經(jīng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用,但氮化鎵還處于研發(fā)階段。
目前,用于新能源汽車的功率器件主要有三個(gè)領(lǐng)域:一是電機(jī)控制器,用于驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng);二是OBC(車載充電器),將交流電轉(zhuǎn)化為可以被新能源汽車動(dòng)力電池使用的直流電;三是DC-DC直流轉(zhuǎn)換器,將動(dòng)力電池的直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電,給儀表盤、顯示屏、監(jiān)控系統(tǒng)等車載設(shè)備供電。專家表示,以當(dāng)前的技術(shù)水平來看,氮化鎵用于DC-DC直流轉(zhuǎn)換器這個(gè)細(xì)分領(lǐng)域有著較為明顯的優(yōu)勢(shì)。
安世半導(dǎo)體MOS業(yè)務(wù)集團(tuán)大中華區(qū)總監(jiān)李東岳向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示,電動(dòng)汽車對(duì)高效率、高功率密度有著嚴(yán)苛的要求。通過節(jié)約零組件對(duì)車內(nèi)空間的占用,讓乘坐空間更加舒適。針對(duì)高功率密度、強(qiáng)續(xù)航能力等需求,目前的硅功率半導(dǎo)體材料器件已經(jīng)發(fā)展到瓶頸期。氮化鎵器件的開關(guān)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(dòng)汽車的需求。
當(dāng)前,頭部廠商對(duì)車規(guī)氮化鎵多處于研發(fā)階段。安世半導(dǎo)體正在研發(fā)用于高壓DC-DC直流轉(zhuǎn)換器、OBC等車用氮化鎵產(chǎn)品;意法半導(dǎo)體看好氮化鎵在OBC及48V直流轉(zhuǎn)換器的潛力,并于今年宣布與臺(tái)積電合作,共同推進(jìn)氮化鎵在汽車電氣化領(lǐng)域的應(yīng)用;納微半導(dǎo)體在去年路演中表示,其GaN FET相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)可用于電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力車的OBC和DC-DC轉(zhuǎn)換器,可以降低能量損耗并提升開關(guān)速度,使車輛實(shí)現(xiàn)更快的速度和更長(zhǎng)的里程。
“車規(guī)功率器件的認(rèn)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(yàn)證時(shí)間。目前氮化鎵在車規(guī)領(lǐng)域的應(yīng)用還處于初級(jí)階段,但未來幾年預(yù)計(jì)會(huì)呈現(xiàn)遞進(jìn)式的增長(zhǎng)。”李東岳說。
GaN應(yīng)用多項(xiàng)挑戰(zhàn)待解
雖然氮化鎵在多個(gè)新基建領(lǐng)域具備應(yīng)用前景,但其仍處于發(fā)展初期,在技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品驗(yàn)證、市場(chǎng)滲透等方面,還有待進(jìn)一步催熟和突破。
任勉指出,在5G射頻領(lǐng)域,射頻的技術(shù)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(shè)計(jì)、前道工藝和后道封測(cè)。但射頻器件多了一個(gè)電磁波的技術(shù)維度,涉及射頻電路、射頻功放以及微波電子等,技術(shù)門檻更高。
在車用領(lǐng)域,李東岳表示,主要存在四方面的挑戰(zhàn):一是車用領(lǐng)域的功率要求波動(dòng)較大,需要在所有工況下,保持器件參數(shù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定;二是車規(guī)功率器件長(zhǎng)期處于高振動(dòng)、高濕度、高溫度的工作環(huán)境,要求器件在應(yīng)對(duì)熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)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(yán)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(guī)器件需要做到15年到20年的使用壽命,技術(shù)門檻很高。
對(duì)于我國(guó)企業(yè)該如何利用好5G等新基建領(lǐng)域?yàn)榈墡硎袌?chǎng)機(jī)遇,集邦咨詢分析師王尊民表示,在5G基站及數(shù)據(jù)中心服務(wù)器等使用場(chǎng)景,相關(guān)技術(shù)仍受國(guó)際大廠控制,因此我國(guó)廠商在其中參與的機(jī)會(huì)比較少。
“目前,我國(guó)廠商若要緊隨新基建的發(fā)展趨勢(shì),首先要強(qiáng)化自身的制造與技術(shù)研發(fā)能力,例如RF通訊、電力傳輸?shù)闹圃鞂?shí)力,才會(huì)逐步在相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域站穩(wěn)腳跟。”王尊民說。
任勉指出,面向5G等領(lǐng)域的需求,我國(guó)氮化鎵相關(guān)企業(yè)要提前三到五年布局,進(jìn)行五年左右的技術(shù)積累和三年左右的產(chǎn)能建設(shè)。“市場(chǎng)窗口往往稍縱即逝,一旦市場(chǎng)格局成形,企業(yè)再想進(jìn)入并獲得市場(chǎng)主動(dòng)權(quán),就會(huì)比較困難。要提前準(zhǔn)備技術(shù)、產(chǎn)能、人才,提升布局效率,抓緊時(shí)間切入。”任勉說。
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