今年以來，氮化镓(GaN)快充成(chéng)爲“網紅”産品，受到小米、OPPO、魅族等手機廠商的“熱捧”。氮化镓在消費電子領域迅速起(qǐ)量的同時，其應用範圍也在持續擴展，正向(xiàng)新基建所涉及的5G、數據中心、新能(néng)源汽車等領域滲透。新基建將(jiāng)如何賦能(néng)氮化镓，我國(guó)企業該如何抓住氮化镓的成(chéng)長(cháng)契機，利用好(hǎo)市場窗口?
5G可率先打開(kāi)商用空間
由于氮化镓具備高頻率、高功率密度、損耗小等優勢，射頻器件成(chéng)爲氮化镓最有前景的應用領域之一。5G時代，氮化镓將(jiāng)加速滲透基站所需的射頻功率放大器(PA)。
集邦咨詢指出，由于矽材料存在高頻損耗、噪聲大和低輸出功率密度等特點，RF CMOS已經(jīng)不能(néng)滿足要求。GaN材料憑借高頻、高輸出功率的優勢，將(jiāng)逐步替代Si LDMOS，大幅運用于PA。市場研究機構指出，5G商用宏基站以64通道(dào)的大規模陣列天線爲主，單基站PA需求達到192個。2019年全球GaN射頻器件市場規模達到5.27億美元，預計2023年將(jiāng)達到13.24億美元。
“5G對(duì)氮化镓的需求增長(cháng)是非常明顯的，5G基站所需的PA，爲氮化镓帶來了絕佳的市場機遇。随着矽的性能(néng)開(kāi)發(fā)逼近極限，氮化镓替代矽切入更大帶寬、更高頻率的工作場景，使氮化镓的優勢能(néng)充分發(fā)揮出來，這(zhè)是一個技術換代帶來的市場機會。”蘇州能(néng)訊高能(néng)半導體有限公司董事(shì)總經(jīng)理任勉向(xiàng)《中國(guó)電子報》記者表示。
今年3月，工業和信息化部在《關于推動5G加快發(fā)展的通知》中指出，將(jiāng)适時發(fā)布部分5G毫米波頻段、頻率使用規劃。任勉表示，毫米波基站對(duì)射頻功率器件的需求，比當前的宏基站市場更爲可觀，將(jiāng)爲氮化镓帶來更加龐大的市場增量。
當前，我國(guó)企業已經(jīng)在5G氮化镓射頻功率器件有所布局。蘇州能(néng)訊高能(néng)半導體已建成(chéng)4英寸氮化镓芯片産線，産能(néng)達到25000片4英寸氮化镓晶圓，以迎接5G無線通信對(duì)氮化镓射頻芯片的市場需求。海特高新在5G宏基站的射頻GaN已實現突破，在流片工藝上，已可實現代工制造。英諾賽科、賽微電子等企業也在積極開(kāi)展相關布局。
高效率特性賦能(néng)數據中心
在電力電子領域，氮化镓充電器的市場熱度不減。除了追求高頻率、小體積的快充市場，氮化镓在數據中心服務器電源、高端工業配電系統電源等領域也有着應用潛能(néng)。
對(duì)于數據中心，服務器運行所需的電能(néng)往往占據運營成(chéng)本的“大頭”,如何提升能(néng)效比成(chéng)爲現代數據中心的關鍵課題。任勉指出，相對(duì)快充等體積敏感的應用領域，服務器電源將(jiāng)更好(hǎo)地發(fā)揮氮化镓高效率、低功耗的優勢。
“氮化镓最大的特點是功率轉化效率高。尤其在數據中心等高能(néng)耗的使用場景下，氮化镓憑借高效率的優勢，將(jiāng)帶來顯著的節能(néng)效果。”任勉說。
根據數據中心運營商GaN Systems測算，GaN器件用于從AC(交流電)到DC(直流電)的電源轉換，以及轉換負載的DC電源，可以將(jiāng)整體效率從使用矽器件的77%提高到84%，使數據中心的功率密度增加25%以上，并將(jiāng)單個機架的電力成(chéng)本降低2300美元以上。
新能(néng)源汽車應用進(jìn)入研發(fā)期
在車規級市場，同爲第三代半導體的碳化矽已經(jīng)實現應用，但氮化镓還(hái)處于研發(fā)階段。
目前，用于新能(néng)源汽車的功率器件主要有三個領域：一是電機控制器，用于驅動及控制系統;二是OBC(車載充電器)，將(jiāng)交流電轉化爲可以被新能(néng)源汽車動力電池使用的直流電;三是DC-DC直流轉換器，將(jiāng)動力電池的直流電轉換爲低壓直流電，給儀表盤、顯示屏、監控系統等車載設備供電。專家表示，以當前的技術水平來看，氮化镓用于DC-DC直流轉換器這(zhè)個細分領域有着較爲明顯的優勢。
安世半導體MOS業務集團大中華區總監李東嶽向(xiàng)《中國(guó)電子報》記者表示，電動汽車對(duì)高效率、高功率密度有着嚴苛的要求。通過(guò)節約零組件對(duì)車内空間的占用，讓乘坐空間更加舒适。針對(duì)高功率密度、強續航能(néng)力等需求，目前的矽功率半導體材料器件已經(jīng)發(fā)展到瓶頸期。氮化镓器件的開(kāi)關速度比矽MOSFET快很多，在高效率和高功率密度方面(miàn)更能(néng)符合電動汽車的需求。
當前，頭部廠商對(duì)車規氮化镓多處于研發(fā)階段。安世半導體正在研發(fā)用于高壓DC-DC直流轉換器、OBC等車用氮化镓産品;意法半導體看好(hǎo)氮化镓在OBC及48V直流轉換器的潛力，并于今年宣布與台積電合作，共同推進(jìn)氮化镓在汽車電氣化領域的應用;納微半導體在去年路演中表示，其GaN FET相關産品和技術可用于電動汽車和混合動力車的OBC和DC-DC轉換器，可以降低能(néng)量損耗并提升開(kāi)關速度，使車輛實現更快的速度和更長(cháng)的裡(lǐ)程。
“車規功率器件的認證，從A Sample到B Sample到C Sample，不管是可靠性還(hái)是方案的成(chéng)熟度，都(dōu)需要一定的驗證時間。目前氮化镓在車規領域的應用還(hái)處于初級階段，但未來幾年預計會呈現遞進(jìn)式的增長(cháng)。”李東嶽說。
GaN應用多項挑戰待解
雖然氮化镓在多個新基建領域具備應用前景，但其仍處于發(fā)展初期，在技術開(kāi)發(fā)、産品驗證、市場滲透等方面(miàn)，還(hái)有待進(jìn)一步催熟和突破。
任勉指出，在5G射頻領域，射頻的技術壁壘比電力電子高得多。電力電子工藝主要涉及材料、器件設計、前道(dào)工藝和後(hòu)道(dào)封測。但射頻器件多了一個電磁波的技術維度，涉及射頻電路、射頻功放以及微波電子等，技術門檻更高。
在車用領域，李東嶽表示，主要存在四方面(miàn)的挑戰：一是車用領域的功率要求波動較大，需要在所有工況下，保持器件參數的長(cháng)期穩定;二是車規功率器件長(cháng)期處于高振動、高濕度、高溫度的工作環境，要求器件在應對(duì)熱應力和機械應力的過(guò)程中有着極高的可靠性;三是車在裝備的過(guò)程中，在體積重量和制造成(chéng)本上都(dōu)有嚴格的要求，功率器件必須契合汽車裝備本身的需要;四是車規器件需要做到15年到20年的使用壽命，技術門檻很高。
對(duì)于我國(guó)企業該如何利用好(hǎo)5G等新基建領域爲氮化镓帶來市場機遇，集邦咨詢分析師王尊民表示，在5G基站及數據中心服務器等使用場景，相關技術仍受國(guó)際大廠控制，因此我國(guó)廠商在其中參與的機會比較少。
“目前，我國(guó)廠商若要緊随新基建的發(fā)展趨勢，首先要強化自身的制造與技術研發(fā)能(néng)力，例如RF通訊、電力傳輸的制造實力，才會逐步在相關應用領域站穩腳跟。”王尊民說。
任勉指出，面(miàn)向(xiàng)5G等領域的需求，我國(guó)氮化镓相關企業要提前三到五年布局，進(jìn)行五年左右的技術積累和三年左右的産能(néng)建設。
“市場窗口往往稍縱即逝，一旦市場格局成(chéng)形，企業再想進(jìn)入并獲得市場主動權，就會比較困難。要提前準備技術、産能(néng)、人才，提升布局效率，抓緊時間切入。”任勉說。
