SiC和GaN的生產(chǎn)和成本挑戰(zhàn)快速采用

SiC和GaN的生產(chǎn)和成本挑戰(zhàn)快速采用

硅沒(méi)了？還沒(méi)有。雖然氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 功率晶體管現(xiàn)在被譽(yù)為電源管理的新革命，但仍有許多挑戰(zhàn)需要克服，尤其是成本高，而且在許多情況下可靠性低。

減少電子設(shè)備的功耗和熱量對(duì)于應(yīng)對(duì)氣候變化和當(dāng)前能源危機(jī)的挑戰(zhàn)至關(guān)重要。

我們將繼續(xù)投資用于云計(jì)算的大型數(shù)據(jù)中心，可能還有虛擬宇宙，以及新的智能手機(jī)和其他小型電子設(shè)備。SiC 和 GaN 都有助于減小尺寸、熱量和功耗，但這些技術(shù)要成為常態(tài)還需要時(shí)間。

在 2022 年電子展上，幾位專(zhuān)家談到了 GaN 和 SiC 功率晶體管當(dāng)前和未來(lái)的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，重點(diǎn)是生產(chǎn)和采用率。

在強(qiáng)調(diào)這兩種技術(shù)優(yōu)勢(shì)的討論中，很明顯硅 MOSFET 不會(huì)很快消失。雖然GaN晶體管的生產(chǎn)成本已經(jīng)達(dá)到MOSFET的水平甚至更低，但要趕上量產(chǎn)還需要很多年，甚至幾十年。

“當(dāng)雙極晶體管變成 MOSFET 時(shí)，第一次功率革命發(fā)生了；現(xiàn)在，我們正在經(jīng)歷第二次革命，無(wú)論是 GaN 還是 SiC，硅都已經(jīng)消失了，”Navitas Semiconductor 公司營(yíng)銷(xiāo)和投資者關(guān)系副總裁 Stephen Oliver 說(shuō)?！叭绻腥讼朐诩舛恕⑶把毓ぷ?，無(wú)論是集成，還是最高電壓，純粹的世界，氮化鎵、碳化硅都是可行的方法。”

這兩種化合物替代硅 MOSFET 和雙極晶體管的前景十分明朗。問(wèn)題是何時(shí)以及以何種代價(jià)發(fā)生。

Efficient Power Conversion 首席執(zhí)行官 Alex Lidow 說(shuō)：“我們永遠(yuǎn)不會(huì)看到 MOSFET 的終結(jié)。10 年或 15 年后，今天的傳統(tǒng)應(yīng)用將留在硅 MOSFET 中。MOSFET的增長(zhǎng)率可能會(huì)下降，甚至單位增長(zhǎng)率可能會(huì)下降，但價(jià)格會(huì)像雙極晶體管一樣上漲。所以這是一個(gè)長(zhǎng)周期方面。氮化鎵功率晶體管的生產(chǎn)成本已經(jīng)低于 MOSFET?！?

到 2030 年，業(yè)界預(yù)計(jì) GaN 和 SiC 的結(jié)合將達(dá)到 MOSFET 的市場(chǎng)價(jià)值。

“今天，95% 的市場(chǎng)是純硅；當(dāng)然，SiC 和 GaN 的發(fā)展速度要快得多，”英飛凌科技高級(jí)負(fù)責(zé)人 Gerald Deboy 說(shuō)?！白鳛橐患夜?，我們需要擁有所有技術(shù)才能設(shè)計(jì)出碳化硅和氮化鎵之間的先進(jìn)差異化設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，硅仍然填補(bǔ)了一個(gè)空洞，我們預(yù)計(jì)所有技術(shù)至少在十年內(nèi)共存。......如果你看看碳化硅和氮化鎵的發(fā)展速度，GaN 略微落后于 SiC，但 GaN 的發(fā)展速度非?？?，我們看到了很多機(jī)會(huì)?！?

“去年，硅 MOSFET 分立模塊的功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模為 280 億美元，”Wolfspeed 功率產(chǎn)品高級(jí)總監(jiān) Guy Moxey 表示，“碳化硅接近 20 億美元，而我認(rèn)為 GaN 剛剛徘徊在 10 億美元以下。所以顯然很小。如果你看一下數(shù)據(jù)報(bào)告所說(shuō)的 2030 年，那并不遙遠(yuǎn)，兩到三個(gè)設(shè)計(jì)周期，SiC 市場(chǎng)將接近 200 億美元，我認(rèn)為 GaN 市場(chǎng)將達(dá)到 5 至 3 美元60 億美元，也許還不止這些?！?

小組成員相信，對(duì)于某些低壓應(yīng)用，明年 GaN 的價(jià)格將與 MOSFET 的價(jià)格相當(dāng)?！霸趦r(jià)格方面，如果你看一下 65-W USB Power Delivery 充電器，我們估計(jì)明年上半年氮化鎵和硅的系統(tǒng)價(jià)格將相同，”O(jiān)liver 說(shuō)?！芭c此同時(shí)，它的體積和重量都減少了 3 倍，因此對(duì)于移動(dòng)計(jì)算行業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常有價(jià)值的主張?！?

GaN 技術(shù)是低電壓應(yīng)用的理想選擇，但在將兩種技術(shù)結(jié)合的汽車(chē)應(yīng)用中使用時(shí)存在一些可靠性問(wèn)題。

“我們?cè)谑褂玫墪r(shí)遇到的主要問(wèn)題是它非常、非?？欤阂陔姼星闆r下使用它，你需要減慢它的速度，并且你需要限制你必須處理的寄生電感量，”P(pán)ower Integrations 營(yíng)銷(xiāo)和應(yīng)用工程副總裁 Doug Bailey 說(shuō)?！拔覀兊膽?zhàn)略是整合 GaN 部分和 SiC 部分。我們有用于汽車(chē)系統(tǒng)的碳化硅版本的產(chǎn)品。我們將它們與控制器集成到同一個(gè)包中。”

SiC 可以在更高的電壓下工作，但與硅相比更難制造。這就是為什么該行業(yè)正在投資數(shù)十億美元來(lái)提高產(chǎn)能以滿(mǎn)足需求的原因。

“多年來(lái)，我們已經(jīng)知道這需要時(shí)間；2016 年，我們的總裁宣布了我們公司歷史上最高的投資，”羅姆半導(dǎo)體歐洲公司汽車(chē)部門(mén)和電力系統(tǒng)總監(jiān) Aly Mashaly 說(shuō)?！拔覀児疽灿写怪闭舷到y(tǒng)；我們有自己的原材料基板工廠(chǎng)，也有制造硅芯片和模塊的工廠(chǎng)?！?

對(duì)于小組成員來(lái)說(shuō)，道路是清晰的，技術(shù)是可靠的。需要幾年時(shí)間才能提高產(chǎn)量、贏(yíng)得更多設(shè)計(jì)并達(dá)到電子行業(yè)具有競(jìng)爭(zhēng)力所需的價(jià)格點(diǎn)。

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