本期，我們邀請到大連芯冠科技有限公司技術(shù)副總裁王榮華帶來了“從快充談起氮化鎵功率器件的應(yīng)用”的精彩主題分享，以下為主要內(nèi)容：
一、氮化鎵快充的過去、現(xiàn)在與將來
1. 氮化鎵快充：行業(yè)爆發(fā)（2019-2020）
2020年2月，小米65W氮化鎵PD快充的發(fā)布掀起了業(yè)界與投資界對氮化鎵功率器件關(guān)注的熱潮。回顧電源的發(fā)展歷史，在過去的50年間，電力電子的開關(guān)頻率不斷提高，隨之，功率密度也在不斷上升。其中，有了新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也有了新的器件，比如從原來的可控硅到現(xiàn)在的寬禁帶半導(dǎo)體。
2.氮化鎵快充：六年磨一劍（2014-2020）
回溯到2014年，氮化鎵功率器件剛起步時，已經(jīng)有廠商Finsix開展這方面的工作，初始定位的頻率是10~30MHz，不過因為此頻率對電源設(shè)計和芯片的挑戰(zhàn)非常高，超出了彼時對電力電子的通常頻率界限以及市場的接受能力，并沒有能繼續(xù)下去。
直到2018-2019年，有數(shù)十家公司推出幾十款氮化鎵快充產(chǎn)品。從2014年到2020年，六年時間，芯片廠商技術(shù)逐步成熟，制造能力提升，價格降低、性價比逐步提升。智能終端需求的到來是主要的市場驅(qū)動力，相應(yīng)地電源設(shè)計廠商加大了技術(shù)研發(fā)力度，也有手機(jī)廠商投入芯片開發(fā)。
3. 快充反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：準(zhǔn)諧振（QR）vs 有源鉗位 (ACF)，類軟開關(guān)
QR的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)頻率比較低，類似于軟開關(guān)，但仍有一定的開關(guān)損耗；其優(yōu)勢是成本比較低，目前市面上大部分氮化鎵快充產(chǎn)品仍然采用QR這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。ACF拓?fù)淇梢宰龅胶芨叩拈_關(guān)頻率，但高頻下的EMI存在較大的技術(shù)挑戰(zhàn)，硬件成本較QR拓?fù)湟嘤胁簧俚脑龇?/span>
4. PD快充的結(jié)構(gòu)設(shè)計挑戰(zhàn) – 熱管理
隨著功率密度的提升，PD快充面臨的結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱管理挑戰(zhàn)愈加突出。總體來說，效率非用戶直接需求，但間接的溫升直接決定用戶體驗。PD快充的主要損耗構(gòu)成：變壓器（磁芯）、主開關(guān)管、同步整流管和整流橋，開關(guān)頻率越高損耗越大。多口輸出的集成需求進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱管理的難度。成熟的產(chǎn)品需要精細(xì)的電源結(jié)構(gòu)設(shè)計與生產(chǎn)工藝控制。
5. 氮化鎵快充：行業(yè)增長
從市場容量方面，以智能手機(jī)為例，過去十年的增長量現(xiàn)在基本上達(dá)到飽和狀態(tài)；但每個手機(jī)的電池容量在參加，電池的消耗非常大；在過去的幾年當(dāng)中快充需求不斷增長，快充已逐漸成為智能手機(jī)標(biāo)配。未來幾年，氮化鎵快充市場將有非常可觀的增長，也會帶動整個氮化鎵功率器件市場的增長。
二、氮化鎵的特點與應(yīng)用
1. 為什么是氮化鎵？
氮化鎵作為寬禁帶半導(dǎo)體的代表，在同樣電壓下，與硅相比器件的關(guān)鍵尺寸可以做的更小，導(dǎo)通電阻更小，把功率器件里的關(guān)斷電壓與導(dǎo)通電阻的平衡，提高到了一個新的高度。
2. 氮化鎵器件的絕對性能參數(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在哪里？
從與硅器件的性能參數(shù)對比可以看出，氮化鎵在硬開關(guān)中的優(yōu)勢大于在軟開關(guān)中的優(yōu)勢。不過，由于消費類電子中軟開關(guān)對器件可靠性的要求，或者對器件的考驗不如硬開關(guān)強(qiáng)烈，市場可以更加快速的起來，因此快充是氮化鎵器件替代傳統(tǒng)器件的一個理想切入點。工業(yè)電子當(dāng)中，硬開關(guān)的使用范圍廣泛，未來有很大的增長空間。
3. 硬開關(guān)應(yīng)用實例1：PFC電源，GaN vs CoolMOS
使用氮化鎵功率器件的圖騰柱PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)替代使用硅器件的傳統(tǒng)二極管整流橋PFC，可以實現(xiàn)：
(1)元件個數(shù)更少，線路簡單，硬件BOM成本至少下降15%；
(2)利用氮化鎵體器件超低的反向恢復(fù)特性實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率至少2個百分點的提升。
4. 硬開關(guān)應(yīng)用實例2：逆變 ，GaN vs IGBT
在半橋或全橋電路中，使用氮化鎵功率器件替代硅IGBT，可以實現(xiàn)：
（1）高效率：2-8% 整機(jī)效率提升；
（2）10 kHz提升至40-100 kHz，濾波電路緊湊
（3）理想輸出波形、無尖峰
5. 應(yīng)用實例3：汽車電子， GaN vs IGBT/CoolMOS/SiC/MOS
氮化鎵器件主要可應(yīng)用于車載充電（AC-DC，DC-DC）、高壓負(fù)載（DC-AC）、高壓降壓（DC-DC）、低壓降壓（DC-DC）和低壓負(fù)載（如車載娛樂、激光雷達(dá)等）。與碳化硅相比，硅基氮化鎵器件的電壓等級和輸出功率相對小一些，并不太適用于電驅(qū)。
總體來講，汽車電子對可靠性的要求比工業(yè)電子更加嚴(yán)苛，驗證周期也比較長。據(jù)報道，有一些資本多年前就已經(jīng)開始投資氮化鎵芯片制造廠商。
三、氮化鎵功率器件發(fā)展現(xiàn)狀
1. 國際廠商紛紛涉足
氮化鎵器件國際上也經(jīng)過了快十年的發(fā)展（如下圖），任何的新生事物都遵循著從高預(yù)期到理性的發(fā)展過程。這期間有很多公司沒有堅持下去，如今的快充市場，對于加速氮化鎵在其他領(lǐng)域的應(yīng)用是一個很好的契機(jī)。
2. 國內(nèi)廠商緊跟發(fā)展，IDM模式為主
可以看到，國內(nèi)氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈中，IDM環(huán)節(jié)多為初創(chuàng)型公司，也有一些上市公司做了很多工作。設(shè)計代工公司，數(shù)量在逐漸增多，體量不是特別大。除此之外，獨立分工主要為氮化鎵外延供應(yīng)商，如晶湛半導(dǎo)體和漢驊半導(dǎo)體。
四、氮化鎵功率器件產(chǎn)業(yè)化技術(shù)難點
氮化鎵材料和器件的設(shè)計理念與傳統(tǒng)硅功率器件存在很大的差異，自成閉環(huán)體系，以下主要介紹外延、器件和應(yīng)用三個方面。
1. 氮化鎵外延：硅基外延技術(shù)難度高，外延設(shè)備待國產(chǎn)化以降低成本
2. 氮化鎵器件：器件設(shè)計需平衡動態(tài)導(dǎo)通電阻與耐壓水平以及可靠性
3. 氮化鎵器件應(yīng)用 – 非即插即用，重點關(guān)注驅(qū)動匹配、環(huán)路設(shè)計和EMI抑制
4. 終端產(chǎn)品中的氮化鎵 (650伏) — 氮化鎵時代已經(jīng)到來
五、小結(jié)
1. 消費類電子
從消費類電子的角度來看，氮化鎵快充的爆發(fā)不僅是資本市場的爆發(fā)，更是需求的爆發(fā)；價格是消費電子的核心競爭力之一。結(jié)合高速開關(guān)器件特點的高頻開關(guān)電路設(shè)計、熱管理和 EMI是消費類電子產(chǎn)品設(shè)計的主要技術(shù)挑戰(zhàn)?？斐涫堑壒β势骷硐氲氖袌銮腥朦c，但不是全部。
2. 工業(yè)電子、汽車電子
價格敏感度稍低，不追求極致的開關(guān)頻率，更關(guān)注高功率下的轉(zhuǎn)換效率。工業(yè)電子與汽車電子中硬開關(guān)是氮化鎵功率器件的優(yōu)勢應(yīng)用場景，但可靠性要求高、驗證周期長。
3. 芯冠科技期待與各方合作，共同加速氮化鎵功率器件的市場推廣
芯冠科技已量產(chǎn)經(jīng)可靠性驗證的高壓氮化鎵功率器件，滿足消費電子、工業(yè)電子和汽車電子的需求。
最后，感謝極智課堂在這個特殊時期提供平臺和機(jī)會，讓我們跟各位朋友能一起交流氮化鎵功率器件的技術(shù)與應(yīng)用，也期待與業(yè)界同仁更多交流探討。
關(guān)于大連芯冠科技有限公司
大連芯冠科技有限公司是一家由海外歸國團(tuán)隊創(chuàng)立的半導(dǎo)體高新技術(shù)企業(yè)，于2016年成立于大連高新區(qū)。公司采用整合設(shè)計與制造（IDM）的商業(yè)模式，主要從事第三代半導(dǎo)體氮化鎵外延材料及電力電子器件的研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)和銷售，產(chǎn)品應(yīng)用于電源管理、太陽能逆變器、電動汽車及工業(yè)馬達(dá)驅(qū)動等領(lǐng)域。
公司已建成首條6英寸硅基氮化鎵外延及功率器件晶圓生產(chǎn)線。2019年3月，芯冠科技在國內(nèi)率先推出通過可靠性認(rèn)證、符合產(chǎn)業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)的650伏硅基氮化鎵功率器件產(chǎn)品，并正式投放市場。公司已與國內(nèi)多家半導(dǎo)體功率器件及下游電源廠商展開深入合作，開發(fā)基于氮化鎵器件的新一代各類電源產(chǎn)品，包括PD快充、數(shù)據(jù)中心/服務(wù)器電源和新能源汽車車載充電機(jī)等。
問答環(huán)節(jié)
1. GaAs在功率和射頻器件和GaN市場有沒有競爭，差異在哪里，以及AlN的前景是否明朗？
王榮華：這個問題更多與射頻相關(guān)，GaAs通常擅長的是功放等，比如在基站和手機(jī)當(dāng)中。但是在3.5GHz以上基站功率要求大的時候，GaAs功率密度不能滿足要求，所以才對氮化鎵5G射頻基站產(chǎn)生了很大的需求。
不過在小功率基站中，GaAs還不會消失，會繼續(xù)使用，在電力電子領(lǐng)域沒有應(yīng)用。目前，AlN更多用在射頻濾波器中。
2. GaN器件的散熱工藝和研究有沒有可以提升的空間或者有沒有新的方向？
王榮華：散熱部分，產(chǎn)業(yè)界更多在封裝端進(jìn)行改進(jìn)，采用高導(dǎo)熱陶瓷基板和銀燒結(jié)貼片等；也有一些新的封裝結(jié)構(gòu)，更好的把熱能散發(fā)出來。器件端并沒有太多新的投入，研究階段可能有做金剛石、石墨烯覆蓋，但是離量產(chǎn)應(yīng)用還有一定距離。
3. 能否評論下GaN vertical功率器件的應(yīng)用前景？
王榮華：從產(chǎn)業(yè)角度，并沒有太多關(guān)注GaN vertical功率器件?？傮w認(rèn)為，GaN vertical功率器件的成本不會低，至少不會比碳化硅低。碳化硅器件會對GaN vertical功率器件以后的市場推廣形成一定的障礙。
4. 最近國家發(fā)布了智能汽車相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃，GaN在汽車電子高溫場景中應(yīng)用前景如何？
王榮華： 氮化鎵器件本身完全能夠支撐兩三百攝氏度的工作環(huán)境，但現(xiàn)有汽車電子里的器件溫度比民用和工業(yè)用并沒有高太多，普遍在175攝氏度左右。更高的結(jié)溫需求，要在封裝環(huán)節(jié)選擇更高端的塑封料和貼片材料。目前，市場上已經(jīng)有通過汽車電子可靠性認(rèn)證的氮化鎵器件。
5.GaN和SiC的市場會是互補(bǔ)還是競爭，在目前SiC市場還沒有全面打開的情況下GaN如何應(yīng)對？
王榮華：在目前碳化硅襯底本身還比較貴的時候，GaN和SiC的市場是互補(bǔ)的。說到競爭，主要在650伏之間的領(lǐng)域有競爭，不過即使是在650伏，氮化鎵和碳化硅在性能上也有差異，氮化鎵在開關(guān)速度和反向Vsd等方面依然有優(yōu)勢。當(dāng)碳化硅成本在降低的同時，氮化鎵器件也會做同樣的工作。
6. 目前GaN功率器件可靠性這方面有哪些關(guān)鍵問題需要研究？
王榮華：經(jīng)過十年的發(fā)展和積累，可能前期市場沒有打開的很好，但是器件級別的可靠性方面積累了相當(dāng)多的數(shù)據(jù)，比如失效率、加速壽命、激活能等等，但推導(dǎo)背后的物理機(jī)制，如何引起的，又該如何改進(jìn)等需要從機(jī)理上分析解決。
產(chǎn)業(yè)角度，器件可靠性還應(yīng)關(guān)注系統(tǒng)應(yīng)用級別，終端系統(tǒng)中的過壓、過流以及浪涌等條件下的器件失效可能存在新的模式，需要小批量實際應(yīng)用中的案例反饋，芯片廠商進(jìn)行及時的理解與改進(jìn)。
另外，未來器件芯片尺寸縮減，外延厚度減薄的時候，要清楚的知道哪些參數(shù)是可以調(diào)整的，哪些參數(shù)是不可以隨便調(diào)整的，這也是需要研究的內(nèi)容。
（文字根據(jù)直播內(nèi)容編輯整理，略有刪減）
