意法半導(dǎo)體展示其在功率GaN方面的研發(fā)進展

據(jù)麥姆斯咨詢報道，在許多電力系統(tǒng)中，氮化鎵（GaN）是替代硅材料的合適候選者。正如Yole在《功率GaN：外延、器件、應(yīng)用及技術(shù)趨勢-2018版》報告中所闡述，GaN與傳統(tǒng)的硅基MOSFET相比具有驚人的技術(shù)優(yōu)勢。盡管與32.8億美元的硅基功率半導(dǎo)體市場相比，目前功率GaN市場仍然很小，但GaN器件擁有較好的前景。

回顧2018年，多款GaN電源產(chǎn)品發(fā)布，主要涉及計算機、數(shù)據(jù)中心和快速充電。預(yù)計2019~2020年期間，將會有更多GaN產(chǎn)品問世，實現(xiàn)百萬美元級營收。此外，我們在上述報告中介紹了有興趣進入GaN市場的新公司，包括無晶圓廠（Fabless）和IDM。對于一些IDM廠商來說，在其產(chǎn)品組合中加入功率碳化硅（SiC）之后，將很快布局GaN技術(shù)。意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics, ST）是一家將產(chǎn)品組合擴展至GaN的典型公司。去年夏天，特斯拉（Tesla）Model 3主逆變器中采用了意法半導(dǎo)體SiC功率模塊。正如《特斯拉Model 3逆變器：意法半導(dǎo)體SiC功率模塊》報告中介紹，該功率模塊包含兩個采用創(chuàng)新的芯片貼裝解決方案的碳化硅MOSFET，并通過銅基板實現(xiàn)散熱。

碳化硅MOSFET采用意法半導(dǎo)體最新的技術(shù)進行設(shè)計和制造，可降低傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。今年9月，意法半導(dǎo)體展示了其在功率GaN方面的研發(fā)進展，并宣布將建設(shè)一條完全合格的生產(chǎn)線，包括GaN-on-Si異質(zhì)外延。近日，Yole電力電子技術(shù)與市場分析師Ana Villamor（以下簡稱：AV）有幸與意法半導(dǎo)體功率RF和GaN產(chǎn)品部經(jīng)理Filippo Di Giovanni（以下簡稱：FDG）會面，討論意法半導(dǎo)體與CEA-Leti在GaN研發(fā)方面的合作情況，以及未來幾年功率GaN路線圖。AV：意法半導(dǎo)體最近與CEA-Leti展開功率GaN合作，您可以透露更多的合作細節(jié)嗎？FDG：與CEA-Leti的合作伙伴關(guān)系讓我們在常關(guān)型GaN HEMT（高電子遷移率晶體管）和GaN二極管設(shè)計及研發(fā)方面進行合作。受益于CEA-Leti的知識產(chǎn)權(quán)（IP）和意法半導(dǎo)體的專業(yè)知識（Know-how），雙方合作進展順利。我們將在位于法國格勒諾布爾的CEA-Leti中試線上研發(fā)產(chǎn)品，并在技術(shù)成熟后轉(zhuǎn)移至意法半導(dǎo)體的8英寸量產(chǎn)線（也在法國）。

我們將研發(fā)GaN新產(chǎn)品，以補充意法半導(dǎo)體現(xiàn)有的硅基和SiC功率產(chǎn)品。AV：意法半導(dǎo)體還宣布了與MACOM合作研發(fā)射頻（RF）GaN產(chǎn)品。請問這兩項合作之間是否有任何協(xié)同作用？FDG：沒有，這兩項合作是獨立。與MACOM的合作旨在研發(fā)專門針對射頻市場的GaN-on-Silicon產(chǎn)品。我們正在位于意大利卡塔尼亞的意法半導(dǎo)體辦公室開展此項研究工作，這將使MACOM更好地進入不斷增長的電信基礎(chǔ)設(shè)施市場，而意法半導(dǎo)體可以使用相同的技術(shù)來拓展非電信行業(yè)，如ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）、航空電子和射頻能源。

2018年功率GaN產(chǎn)業(yè)鏈全景（來源：《功率GaN：外延、器件、應(yīng)用及技術(shù)趨勢-2018版》）

AV：我們知道意法半導(dǎo)體在SiC業(yè)務(wù)方面很活躍，你們在產(chǎn)品組合中如何定位SiC和GaN呢？FDG：意法半導(dǎo)體正在投資研發(fā)這兩項突破性技術(shù)。SiC MOSFET基本上是1200V及更高電壓的功率器件的理想選擇，而GaN則不能實現(xiàn)如此高的電壓。在650V附近，這兩項技術(shù)可能存在一些重疊，但這僅適用于較低的頻率，因為GaN技術(shù)在非常高的1MHz開關(guān)頻率下表現(xiàn)更好。在600V以下，GaN再次成為明顯的“贏家”，不過在該范圍內(nèi)，它與硅基技術(shù)展開競爭，而非SiC。簡而言之，SiC MOSFET是高壓和高功率應(yīng)用的理想選擇，而GaN更適合低壓和低功率應(yīng)用，但具有高開關(guān)頻率。AV：汽車是電力電子市場最重要的驅(qū)動因素之一。GaN在汽車市場中的作用是什么？預(yù)計上市時間？FDG：預(yù)計GaN將成為以下兩類應(yīng)用的主流開關(guān)：（1）EV（電動汽車）車載充電器（OBC）中的PFC（功率因數(shù)校正）；（2）大多數(shù)汽車制造商未來幾年計劃推出48V電池的輕度混合動力項目。上市時間取決于技術(shù)成熟的速度，并且我們可以在此基礎(chǔ)上建立對失效機制和可靠性問題的洞察力，這些失效機制和可靠性問題可能與硅基產(chǎn)品不一致。鑒于汽車行業(yè)的生命周期，預(yù)計2022年之后的某個時間可能會出現(xiàn)快速增長。

車載充電器

AV：您對D類和E類開關(guān)模式器件有何見解？他們的目標(biāo)應(yīng)用是什么？FDG：所有功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用，包括已經(jīng)由MOSFET、IGBT和SiC晶體管解決的應(yīng)用，都需要E類開關(guān)模式器件。在射頻應(yīng)用中，晶體管用于功率放大器，可以使用D類開關(guān)模式器件。AV：意法半導(dǎo)體GaN產(chǎn)品（如GaN晶體管和GaN-on-Si二極管）與其它產(chǎn)品有何區(qū)別？FDG：意法半導(dǎo)體擁有豐富的封裝經(jīng)驗和專業(yè)知識，特別是在非常高的頻率方面。再加上我們的卓越制造能力，使得意法半導(dǎo)體的GaN產(chǎn)品與其它廠商產(chǎn)品相比，極具競爭力。AV：從意法半導(dǎo)體的角度來看，選擇功率產(chǎn)品封裝的主要因素有哪些？FDG：根據(jù)我們經(jīng)驗，散熱性能（例如雙側(cè)冷卻）和低寄生電感是選擇功率產(chǎn)品封裝的兩個關(guān)鍵因素。

意法半導(dǎo)體SiC功率模塊組裝在散熱器上（來源：《特斯拉Model 3逆變器：意法半導(dǎo)體SiC功率模塊》）AV：意法半導(dǎo)體GaN產(chǎn)品的研發(fā)狀況如何？FDG：650V產(chǎn)品原型預(yù)計將在2019年下半年推出。AV：最后請您介紹意法半導(dǎo)體未來五年的產(chǎn)品路線圖吧。FDG：在650V產(chǎn)品之后，我們計劃推出100V~200V產(chǎn)品，然后是集成解決方案，包括封裝集成和單片集成。