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GaN是臺積電的下一個戰(zhàn)場 在車電商機未來可期

lyj159 ? 來源:與非網(wǎng) ? 作者:與非網(wǎng) ? 2020-03-08 15:19 ? 次閱讀
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3 月 6 日訊,因應(yīng) 5G、電動車時代來臨,對于高頻、高壓功率元件需求大增,帶動氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)等寬能隙半導(dǎo)體材料興起,全球晶圓代工龍頭臺積電宣布與意法半導(dǎo)體合作開發(fā) GaN,瞄準未來電動車之應(yīng)用。

目前國際大廠包括英飛凌、Navitas、GaN Systems、Transphorm 等均積極部署 GaN,除了臺積電之外,世界先進、嘉晶、漢磊、茂硅等也投入發(fā)展,相關(guān)商機備受期待。

在晶圓代工領(lǐng)域稱霸全球的臺積電,宣布與國際功率半導(dǎo)體 IDM 大廠意法半導(dǎo)體攜手合作開發(fā)氮化鎵(Gallium Nitride;簡稱 GaN)制程技術(shù)。這項舉動也象征著臺積電未來的發(fā)展,不在僅止于智能手機、AI高速運算等領(lǐng)域,未來將借由 GaN 技術(shù)加速布局車用電子與電動車應(yīng)用;期待和意法半導(dǎo)體合作把 GaN 功率電子的應(yīng)用帶進工業(yè)與汽車功率轉(zhuǎn)換。

根據(jù)市場研究報告預(yù)測,GaN 功率元件的市場增長快速,每年 CAGR 超過 30% ,預(yù)計到 2026 年市場規(guī)模將超過十億美元。除 5G 通訊市場外,汽車和工業(yè)市場也是 GaN 功率元件的主要驅(qū)動力。

GaN 在車電商機可期

長期以來,半導(dǎo)體材料都是由硅(Si)作為基材,不過,硅基半導(dǎo)體受限于硅的物理性質(zhì),且面對電路微型化的趨勢,不論是在制程或功能的匹配性上已屆臨極限,愈來愈難符合芯片尺寸縮減、電路功能復(fù)雜、散熱效率高等多元的性能要求。

加上未來更多高頻率、高功率等相關(guān)電子應(yīng)用,以及需要更省電、更低運行成本、并能整合更多功能性的半導(dǎo)體元件。因此,近年來所謂的寬能隙半導(dǎo)體材料(WBG)─氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)等新一代半導(dǎo)體材料應(yīng)運而生。

GaN、SiC 因?qū)娮柽h小于硅基材料,導(dǎo)通損失、切換損失降低,可帶來更高的能源轉(zhuǎn)換效率。挾著高頻、高壓等優(yōu)勢,加上導(dǎo)電性、散熱性佳,元件體積也較小,適合功率半導(dǎo)體應(yīng)用。相較于硅基元件,GaN 元件切換速度增快達十倍,同時可以在更高的最高溫度下運作,這些強大的材料本質(zhì)特性讓 GaN 廣泛適用于具備一○○V與六五○V兩種電壓范疇持續(xù)成長的汽車、工業(yè)、電信、以及特定消費性電子應(yīng)用產(chǎn)品。其實 GaN 最早是應(yīng)用在LED領(lǐng)域,1993 年時,日本日亞化學的中村修二成功以氮化鎵和氮化銦鎵(InGaN),開發(fā)出具高亮度的藍光 LED。

除了 LED 之外,GaN 的射頻零組件具有高頻、高功率、較寬帶寬、低功耗、小尺寸的特點,能有效在 5G 世代中節(jié)省 PCB 的空間,特別是手機內(nèi)部空間上,且能達到良好的功耗控制。

目前在 GaN 射頻領(lǐng)域主要由美、日兩國企業(yè)主導(dǎo),其中,以美商 Cree 居首,住友電工、東芝、富士通等日商緊追在后,陸系廠商如三安光電、海特高新、華進創(chuàng)威在此領(lǐng)域雖有著墨,但與國際大廠相比技術(shù)差距大。不過,GaN 未來具有潛力的市場則是在車用電子與電動車領(lǐng)域,在汽車當中有三大應(yīng)用是與電源相關(guān)的,即充電器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器。

在這三大用途中,牽引逆變器是目前為止可以從 GaN 技術(shù)中受益最多的。因為使用 GaN 元件后,可以減輕汽車的重量,提高能效,讓電動車能夠行駛更遠距離,同時可以使用更小的電池和冷卻系統(tǒng)。

Transphorm、英飛凌具備 GaN 專利

由日本名古屋大學、大阪大學,還有 Panasonic 等學校與企業(yè)所共同合作,利用 GaN 開發(fā)出電動車,可大幅減少電動設(shè)備的能源損失,消耗電力約可減少二成左右,得以提高電動車之續(xù)航力。

此外,車用電子采用 GaN 元件,從而實現(xiàn)更高的效率、更快速的開關(guān)速度、更小型化及更低的成本。隨著汽車系統(tǒng)逐漸從十二V配電轉(zhuǎn)為四八V系統(tǒng),這改變是由于越來越多電子功能需要更大的功率,以及在全自動駕駛車輛推出后,搭載更多系統(tǒng),例如:雷射雷達(LiDAR)、毫米波雷達、照相機及超聲波傳感器,對配電系統(tǒng)要求更大的功率;若能采用 GaN 即可滿足高效率的配電系統(tǒng)需求。至于在雷射雷達部分,與硅 MOSFET 元件相比,GaN 技術(shù)能夠更快速地觸發(fā)雷射信號,可使自動駕駛汽車可以看得更遠、更快速、更清晰。

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