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电源领域新宠:WBG组件

发布日期:2020-06-21

GRCC汽车电子电气架构创新发展论坛

2020-06-21 19:02:51

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持续成长的功率半导体组件需求正推动WBG组件市场的成长,各家业者持续投资SiC与GaN材料与晶圆片的开发与量产。而WBG市场将往什么方向发展?谁在其中扮演要角?这些业者又如何克服数十年来WBG组件面临之高成本、低产量以及有限的供应链等挑战?

电力电子朝向氮化镓(GaN)碳化硅(SiC)等所谓的宽能隙(WBG)材料组件迈出步伐,虽然硅材料仍为市场主流,GaN与SiC组件很快就会催生新一代更具效益的技术解决方案。总部位于法国的市场研究机构Yole Développement估计,到2025年SiC组件市场营收将占据整体电力电子市场的10%以上,同时间GaN组件的营收比例则会超过2%。

SiC组件的知名供货商包括意法半导体(ST)、Cree/Wolfspeed、罗姆(Rohm)、英飞凌(Infineon)、安森美(OnSemi)以及三菱(Mitsubishi Electric);而GaN组件的主要供货商,Yole表示包括PI (Power Integrations)与英飞凌,还有新创公司Navitas Semiconductor、Efficient Power Conversion (EPC)、GaN Systems与Transphorm。

众多业者透过成本优化发展出恰当的SiC基板供货商业模式;在2018至2019年间,包括意法、英飞凌与安森美等公司,与SiC基板领导业者如Cree、SiCrystal签署了多年期基板供应协议。在GaN组件领域,因应大量市场需求的一个主要趋势,是与像是台湾的台积电(TSMC)、汉磊科技(Episil Technologies)或X-Fab等晶圆代工业者合作。

持续成长的功率半导体组件需求正推动WBG组件市场的成长,各家业者持续投资SiC与GaN材料与晶圆片的开发与量产。而WBG市场将往什么方向发展?谁在其中扮演要角?这些业者又如何克服数十年来WBG组件面临之高成本、低产量以及有限的供应链等挑战?

为此《EE Times》访问了Yole Développement的技术与市场分析师Ezgi Dogmus (博士),请她与我们分享更多SiC与GaN市场的现况,以及那些产业领域应用前景最被看好。

EE Times:Yole如何评估不同GaN组件之间的竞争?特别是在车用市场。

Dogmus:有不同种类的GaN组件以及各式各样的技术解决方案,看应用在哪些领域还有功率大小。在车用市场,我们看到不同厂商在低电压(<100V)与高电压(>650V) GaN技术上的开发与进展;低电压GaN组件锁定48~12V的轻度混合动力车辆DC/DC电源转换,650V的GaN组件则着重于电动车车载充电装置。

EE Times:目前GaN与SiC组件最成功的市场领域何在?在什么产业上的应用最多?

Dogmus:根据我们的了解,SiC功率组件的主要市场是电动/混合动力车市场应用,我们也预期这会是推动SiC市场成长的主要力量。GaN组件近来进军了高阶智能型手机的高功率快速充电应用领域,这个大规模消费性市场预期接下来五年会成为GaN功率组件的成长主力。

EE Times:SiC/GaN的前景如何?你认为让其技术与业务版图进一步扩张之最大机会何在?

Dogmus:在业务发展方面可以参考我前面的回答。至于在技术方面,SiC功率组件产业聚焦于改善更大尺寸SiC晶圆片的质量以及功率模块的开发;GaN组件的主流趋势则是整合──包括系统级封装(SiP)或是系统级芯片(SoC)解决方案。

EE Times:你认为目前全SiC/GaN模块的发展态势如何?

Dogmus:有不少SiC模块的开发活动,特别是封装材料,例如裸晶接合(die attach)以及基板互连;各家业者持续投资全SiC模块的开发,以实现更高可靠性与更高功率的模块。而目前已经有嵌入式裸晶GaN组件的开发,新一代车用GaN模块也预期将会在接下来几年问世。

SiC、GaN与Si功率组件市占率比较(单位:百万美元)(图片来源:Yole)

EE Times:为何现在WBG半导体组件如此受到瞩目?

Dogmus:我们的理解是,SiC与GaN等WBG组件已经达到了显著的里程碑,各自赢得了设计订单也开始被应用在一些新兴市场,像是汽车、智能型手机快充等消费性领域。几乎所有硅功率组件领导供货商都将触角伸向SiC或GaN市场,而选择WBG的业者是受到这类组件与系统的更高性能、更高效率、更小尺寸外观以及更低的系统成本所驱使。

SiC功率组件市场动能。(图片来源:Yole)

EE Times:目前WBG组件市场的投资主要在那些方面?规模多大?

Dogmus:蓬勃发展中的SiC功率组件市场最近重点是基板。如ST在2019年以1.375亿美元收购了SiC供货商Norstel;同时间Cree也宣布在SiC基板──包括半绝缘(S.I)与单晶(S.C.)种类的晶圆片──制造上投资10亿美元,以及将以8吋晶圆设备生产通过车归认证的SiC产品。近期韩国业者SK Siltron则以4.5亿美元完成收购DuPont的SiC业务部门…还有很多相关案例。SiC晶圆产业也有不少新闻,许多SiC组件业者都对于确保晶源供应非常有兴趣。

在GaN功率组件方面,该技术最近开始进军新兴应用市场,因此接下来几年预期会有更多相关投资。举例来说,ST在2020年第一季收购了法国GaN新创公司Exagan的大多数股份,以利用该公司在GaN系统级封装解决方案上的专业知识与经验,锁定快充应用。

GaN产业格局变化与大量应用市场商机。(图片来源:Yole)

EE Times:还有哪些组件会采用GaN与SiC?

Dogmus:传统上,二极管是SiC市场主流;着眼未来,我们预期会有更多车规SiC MOSFET与全SiC模块问世。而GaN产品种类在过去十年越来越多样化,市面上有离散式GaN HEMT、以系统级封装整合驱动器与HEMT的方案,以及应用于消费性与工业市场的单体整合式GaN解决方案。业者正在开发创新组件与系统级设计,以利用GaN带来的庞大附加价值。

 (原文发表于ASPENCORE旗下EDN姐妹媒体EETimes,参考链接 :Where Is the Wide-Bandgap Market Going?,编译:Judith Cheng)



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