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何以在第三代半导体技术中遥遥领先?
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何以在第三代半导体技术中遥遥领先?

2023-09-15 17:29:39 来源:半导体器件应用网 作者:厉丹 点击:2490

【哔哥哔特导读】已广泛应用于PD快充、电动汽车、光伏储能、数据中心以及充电桩等领域的第三代半导材料,近年来越来越受到半导体各行业的关注。目前,领先器件供应商在第三代半导体领域做了什么?有什么技术难点?如何平衡性能与成本?未来有何发展目标?......

前言:

凭借功率密度高、开关速度快、抗辐照性强等优点,以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料被广泛应用于电力电子、光电子学和无线通信等领域,以提高设备性能和效率,并成为当前半导体行业的热点之一。当前,相关厂商也在不断发挥技术和产品优势,为客户提供更高效、更可靠的半导体器件和解决方案。本文将从第三代半导体技术的市场应用、技术难点以及性能与成本平衡等方面,对第三代半导体市场以及技术发展进行解读。

领先供应商在第三代半导体领域做了什么?

关于第三代半导体材料在不同领域的应用,包括太阳能逆变器、电动汽车、工业电机驱动器、LED驱动器、PD快充以及5G通信系统和卫星通信系统等,近年来受到越来越多的关注。在这一领域具有领先地位的公司除了市场应用涉及广泛,其技术和市场优势也走在了行业前沿。

Power Integrations是全球领先的GaN供应商,目前有很多客户正在使用或评估GaN和SiC产品,涉及充电器、家电、数据中心电源、LED驱动器和电动汽车等100多种不同的应用领域。据行业分析机构Yole的统计数据,Power Integrations被评定为全球领先的GaN供应商,并且公司至今仍保持着这一地位。

在电动汽车领域,GaN在其中的应用越来越多,例如LIDAR(激光探测和测距)系统、OBC(车载充电机)和ADAS(先进驾驶辅助系统),Power Integrations为此提供内置SiC开关的InnoSwitch3版本,以满足电动汽车EV应用的新兴趋势。此外,基于其SCALE技术,Power Integrations还提供多个面向牵引和可再生能源应用的SiC门极驱动器系列。

何以在第三代半导体技术中遥遥领先?

安森美主要聚焦于新能源汽车、充电桩、光伏储能、工业自动化等高压大电流应用领域,推动工业、汽车的电气化转型。安森美在SiC方面拥有近20年的历史,目前在大部分的新能源汽车上或多或少都有一些应用,其中包括了SiC二极管、SiC MOSFET、SiC功率模块等。在光伏领域,安森美与前10大光伏逆变器供应商中的8家签订了战略合作协议,已锁定共计19.5亿美元订单,助力能源结构优化,推进可持续发展。

安森美电源方案事业群先进电源部技术营销高级总监Mrinal K.Das博士指出,在第三代半导体领域,安森美专注于SiC,应用主要面向汽车、能源、电网基础设施和数据中心/电信电源市场。汽车领域的市场渗透力最强,因为SiC功率器件的高效率可实现非常可观的续航里程增加以及终端系统成本降低。

Power Integrations和安森美在GaN和SiC技术方面都有着深厚的积累和丰富的经验,并在各自的领域内取得了显著的成就。未来,随着新能源汽车、光伏储能等领域的快速发展,GaN和SiC的应用前景将更加广阔。发挥其技术和市场优势的企业,不断推动第三代半导体技术的发展做出贡献,也将迎来更加广阔的发展前景。

第三代半导体技术的主要难点在哪里?

总体来说,第三代半导体技术的主要难点在于材料和制造工艺方面。由于第三代半导体材料具有更高的电子迁移率和更高的热稳定性,它们的制造工艺非常复杂,需要高温高压等条件,因此在设计和制造需要更高的精度和更复杂的工艺流程。可靠性、易用性、热管理等因素都是工程师在实施新技术时面临的重要挑战。

GaN的主要限制在于电压。由于增强模式技术的特性,大多数GaN IC供应商将电压限制在650V。由于GaN接近理想开关,Power Integrations市场营销副总裁Doug Bailey认为“应选尽选”:只要能上,就应该使用GaN。他还认为,GaN基本上会取代较低电压的产品——从市电电压到1200V及更高电压;大体而言,GaN将在一定功率范围内占据整个市场,尤其是可变功率应用。随着GaN电压的提高,它将取代碳化硅;同时随着其载流能力的提高,GaN将取代IGBT。

工程师在实施新技术时面临的另一个困难是易用性,GaN也不例外。Doug Bailey提到,早期关注的焦点是如何驱动GaN HEMT(高电子迁移率电晶体),而针对电源解决方案,Power Integrations的GaN器件是负责如何在内部驱动GaN开关的子系统。实际上,设计人员可以用具有GaN开关的器件取代硅基器件,并立即实现效率和功率密度优势,而无需掌握任何新技术。

与硅相比,SiC的缺陷率更高,制造条件更苛刻。因此在采用SiC进行设计时,需要确保更高的质量和可靠性。相关厂商可以通过推动晶体生长和外延方面的创新,以减少可能导致实际应用中早期失效的电活性缺陷的发生;此外,还在生产过程中采用高效的筛选方法,确保筛选出的、本征性好的器件能够在实际应用中稳定工作,最终使失效率达到行业要求的低PPM水平。

热管理也是一大挑战。SiC的工作温度比硅基器件支持的温度高,在整个设计阶段都要考虑更大的热应力,这可能会对系统的可靠性产生不利影响。安森美汽车主驱现场应用工程师Hangyu Lu指出,安森美的解决方案是:1)采用铜基板方案以改善从芯片到散热器的热阻Rth;2)用烧结技术替代传统的焊接工艺,可进一步降低热阻。

何以在第三代半导体技术中遥遥领先?

此外,SiC技术作为一种较新的技术,其设计人员需要全面的设计支持,包括评估板/套件、参考设计、选型指南、应用手册、SPICE模型和仿真工具等。服务生态完善的供应商可提供相关的应用工具,让客户根据应用需求进行产品选型,为电力电子工程师节省时间,加快软/硬开关设计上市。

如何平衡第三代半导体材料的性能与成本?

目前,第三代半导体技术正在对半导体器件的性能(效率和功率密度等)、成本和尺寸产生重大影响。GaN和碳化硅的效率都明显高于硅,但由于GaN可以使用标准的硅制造工艺和设备制造,其制造成本可以接近硅的制造成本。Power Integrations发现,对于规格较高的高端电源而言,GaN是成本最低的方法。因为它可以节省散热片和高效硅基设计的复杂拓扑所需的额外开关。

据了解,Power Integrations目前的产品战略是开发额定耐压更高的GaN器件,并继续提供解决方案;同时,其致力于系统级方法,提供的电源IC可以帮助设计人员更快地将高效设计推向市场,并充分利用GaN的固有优势,提高功率、减小尺寸并降低系统成本。公司的PowiGaN™技术已经取代了传统硅晶体管,使充电器、适配器和敞开式电源比硅基器件更高效、更小巧、更轻便。

SiC的材料优势是可以极大提高功率模块的效率,减小重量和体积。安森美强调研发始于创新,并拥有一支庞大的SiC技术开发团队。他们通过器件设计和学习周期进行虚拟迭代,并确保开发工作重点是解决客户面临的高挑战,从而降低技术研发难度和成本。

在能源领域,基于SiC的光伏储能系统则能够在效率、体积和重量方面得以进一步优化。安森美也有全系列的硅基和EliteSiC器件,并在新能源市场上获得了广泛的应用。

在汽车领域,SiC在主驱逆变器和车载充电机(OBC)的应用可以提升系统效率和里程数,并改善OBC的效率和体积。安森美Hangyu Lu提到,随着市场向800V系统发展也会对SiC产生更大的需求。

何以在第三代半导体技术中遥遥领先?

此外,安森美在SiC领域还进行了技术布局与产业整合,掌握整套的EliteSiC设计、制造、封测技术,包括SiC晶锭生长、衬底、外延、分立器件和模块等。公司不断投入优化EliteSiC器件的沟槽设计、封装技术和制程工艺,并与客户建立联合技术应用实验室,以满足不同的应用需求。

Mrinal Das认为,成本取决于半导体的用量。安森美就利用SiC器件创新来减少SiC的用量,但芯片面积的减少会导致电流密度的增加,这就对封装提出了散热要求。安森美则采用创新的封装技术来支持新型SiC芯片技术的散热(和电气)要求。领先的半导体供应商会利用芯片和封装之间的这种协同作用,向市场提供更具竞争优势的产品。

在第三代半导体市场中有何发展目标?

我们知道,在半导体领域中,第三代半导体技术正在引领市场,GaN和SiC作为代表材料,已成为业界关注的热点。在这个领域,Power Integrations和安森美作为行业领军企业,都在不断推进技术创新和产品研发,以满足市场对高效、高性能半导体器件的需求。

Yole数据显示,第三代半导体渗透率逐年上升,SiC渗透率在2023年有望达到3.75%,GaN渗透率在2023年达到1.0%,第三代半导体渗透率总计4.75%。

Power Integrations的主要目标是继续以更高电压的器件和完全集成的电源解决方案引领GaN市场。公司已经能够提供900V的器件,使GaN能够完全满足电动汽车传动系统的应用需求。Power Integrations提供完整的电源系统,设计人员所采用的开关具备完美匹配的驱动器、控制器、保护电路和其他创新技术,这意味着设计人员可以放心,其设计的电源模块非常高效,且已针对任务进行优化,而且他们的最终设计将能够通过所有现行及未来的国际电源能效法规。

Mrinal Das认为,SiC作为第三代半导体的关键材料,能够显著提高电动汽车驱动、电动汽车充电和能源基础设施等重要领域的系统效率,并且随着双碳举措的推进,所有电压超过750V的节能减排相关的行业都会用到SiC功率器件,拥有非常好的市场前景。目前,安森美聚焦EliteSiC在能源基础设施和新能源汽车等行业的应用,已和多家汽车供应商和光伏供应商签订战略合作协议,预计在未来三年可实现40亿美元的SiC收入。

据其预计,从2022年到2030年,SiC功率器件的复合年均增长率(CAGR)将达到33%,其中大部分将用于汽车动力总成和能源基础设施。 安森美在2022年实现了超过2亿美元的SiC收入,有望在2023年达到约10亿美元的SiC收入,目标是成为全球SiC功率器件的头部供应商之一。

结语:

综上所述,第三代半导体材料已在充电器、电动汽车、光伏储能、充电桩等领域充分发挥出其效率和功率密度等性能优势。随着技术的不断进步、成本下降和市场需求的不断增加,第三代半导体的渗透率也将会不断提高。同时,伴随着半导体厂商通过技术创新、解决方案优化以及加强市场拓展等方面的措施,更好地抓住第三代半导体技术带来的机遇,未来还将会有更多新的应用场景涌现,那么第三代半导体市场的广阔发展前景和潜力也将逐步浮现。

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