自2021年蘋果首次推出氮化鎵（GaN）快充，將GaN技術(shù)在功率器件上的應(yīng)用推向首個(gè)巔峰，此后GaN在600~900V以及200V以下電壓區(qū)間應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了迅猛增長(zhǎng)。Yole數(shù)據(jù)指出，2021年到2027年期間，GaN功率器件市場(chǎng)CAGR達(dá)52%，整體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到20億美元，其中消費(fèi)類市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)9.156億美元。

 

隨著入局GaN領(lǐng)域的玩家不斷增加，研究機(jī)構(gòu)TrendForce認(rèn)為，GaN在低功率消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用已進(jìn)入紅海市場(chǎng)。在技術(shù)、供應(yīng)鏈不斷成熟以及成本下降趨勢(shì)下，GaN功率器件正朝著中大功率儲(chǔ)能、數(shù)據(jù)中心、家用微型逆變器、通訊基站以及汽車等領(lǐng)域拓展，在此過(guò)程中，眾多GaN玩家不斷分化，做出了各自的新選擇。

 

當(dāng)前GaN 功率器件（GaN FET）分為增強(qiáng)型（E-Mode）和耗盡型（D-Mode）兩種。增強(qiáng)型是常關(guān)的器件，而耗盡型則是常開的器件。在電力電子應(yīng)用中，常開的器件會(huì)帶來(lái)使用上的不便和安全方面的問(wèn)題。因此實(shí)際應(yīng)用中的GaN器件都需要是常關(guān)型的器件，工作時(shí)需要驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)使其導(dǎo)通。

 

根據(jù)控制芯片集成度來(lái)劃分，可以分為分立式GaN控制器以及合封GaN 控制器兩種，市面上主要的合封方案包括驅(qū)動(dòng)器+GaN、驅(qū)動(dòng)器+2顆GaN、控制器+驅(qū)動(dòng)器+GaN、驅(qū)動(dòng)器+保護(hù)+GaN等；如果按照拓?fù)浼軜?gòu)來(lái)分，則可以分為L(zhǎng)LC、ACF、QR三種主流的類型。

 

近幾年蓬勃發(fā)展的GaN市場(chǎng)催生了眾多國(guó)產(chǎn)廠商，尤其在GaN 控制器領(lǐng)域，包括南芯、杰華特、必易微、希荻微、鈺泰、力生美等近二十家國(guó)產(chǎn)電源芯片廠商紛紛在合封GaN芯片領(lǐng)域發(fā)力，極大地豐富了可選的方案。

 

從杰華特了解到，合封GaN芯片已成為主流。GaN對(duì)驅(qū)動(dòng)要求比較高，合封后能減小驅(qū)動(dòng)回路，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電壓，提高系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)減少了外圍器件數(shù)量，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)潔。

 

華潤(rùn)微接受集微網(wǎng)采訪時(shí)指出，在小功率比如100瓦以下的應(yīng)用中，特別是消費(fèi)類電子領(lǐng)域合封GaN芯片開始主導(dǎo)市場(chǎng)。合封路線主要都是前級(jí)控制器及驅(qū)動(dòng)跟GaN 芯片合封在一起，部分還加入了一些檢測(cè)單元，像PI還把后級(jí)的同步整流控制器及光耦合封一起，總體差異都不太大。

 

“如果解決了核心元件的裸芯供應(yīng)，合封方案的技術(shù)難點(diǎn)主要在封裝工藝，但都是相對(duì)成熟可控的。”華潤(rùn)微表示，“在消費(fèi)類領(lǐng)域，我們會(huì)并行推進(jìn)分立和合封路線去滿足不同客戶在供應(yīng)鏈角度及可靠性層面的不同需求。”

 

南芯則指出，首先要適合合封，再者就是合封能夠帶來(lái)收益。“相比高壓硅功率器件，GaN 器件本身體積較小，但是驅(qū)動(dòng)電壓又比較低、比較敏感，在可行的前提下又能夠獲得收益，所以部分功率段合封就成為了主流。”南芯告訴集微網(wǎng)，“合封發(fā)展過(guò)程中，有GaN 器件和驅(qū)動(dòng)的合封，也有控制器、驅(qū)動(dòng)、GaN 三合一的合封，這些技術(shù)路線會(huì)共存，去滿足不同的功率段和不同的應(yīng)用場(chǎng)景。此外未來(lái)在不同領(lǐng)域、場(chǎng)景、功率段，會(huì)有多種技術(shù)路線并存。”

 

該公司舉例說(shuō)，中低功率段的充電器市場(chǎng)，合封逐步形成主流，還是以flyback架構(gòu)為主；中高功率段，根據(jù)應(yīng)用需求的不同，比如是否需要支持寬輸出電壓，對(duì)散熱和效率的要求等，終端客戶會(huì)選擇flyback或者LLC等架構(gòu)。

 

作為當(dāng)前高壓GaN 功率器件出貨量第一的納微半導(dǎo)體，從一開始就選擇了高度集成的技術(shù)路線，其推出的GaNFast系列把GaN FET、GaN 驅(qū)動(dòng)器，邏輯和保護(hù)功能集成于單芯片中，簡(jiǎn)化電路開發(fā)難度，提高了功率密度。

 

納微高級(jí)市場(chǎng)經(jīng)理詹仁雄告訴集微網(wǎng)，顯然，合封方案對(duì)于電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，尤其在快充等消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠進(jìn)一步減小系統(tǒng)面積，并且極大的減小寄生參數(shù)的影響，可以讓系統(tǒng)工作更高效，更穩(wěn)定，也更具有成本優(yōu)勢(shì)。

 

作為國(guó)內(nèi)，也是全球最大的GaN IDM公司，英諾賽科目前提供最廣泛的高、低壓GaN FET產(chǎn)品，并支持合作IC廠家的GaN 晶圓產(chǎn)品等。用于驅(qū)動(dòng)英諾賽科GaN產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)器有的是公司自己設(shè)計(jì)，有的來(lái)自合作伙伴，包括南芯、杰華特、昂寶，MPS、TI和NXP等。

 

“GaN 功率器件也如整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)一樣，正不斷走向更高的集成度、更高的功率密度。”英諾賽科首席市場(chǎng)營(yíng)銷官馮雷博士接受集微網(wǎng)采訪時(shí)指出，外掛驅(qū)動(dòng)的分立方案和合封方案各有優(yōu)勢(shì)。前者具有更高的靈活性，包括靈活的設(shè)計(jì)布局、不同的控制器可以搭配不同型號(hào)的GaN FET以實(shí)現(xiàn)不同的功率，設(shè)計(jì)周期相對(duì)較短，GaN FET也有更多供應(yīng)商選擇以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。后者對(duì)客戶而言整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單了，但由于輸出引腳的限制，電路調(diào)試和排查故障會(huì)比較困難。

 

“在最終走向合封方案之前，還是需要一、兩代的產(chǎn)品用分立方案去驗(yàn)證方案的可行性，同時(shí)進(jìn)行市場(chǎng)摸底，當(dāng)方案本身經(jīng)過(guò)考驗(yàn)可以固化為方案時(shí)，再進(jìn)行合封會(huì)比較順暢。”他強(qiáng)調(diào)，GaN 如今在快充應(yīng)用已經(jīng)很廣泛，但是其他領(lǐng)域滲透率還很低，還有很大的拓展空間。英諾賽科正在與關(guān)鍵客戶一起將GaN 推進(jìn)到更多大量生產(chǎn)的機(jī)型中，需要與驅(qū)動(dòng)等芯片合作伙伴、客戶一起承擔(dān)器件成本、layout等方面的優(yōu)化，這個(gè)過(guò)程還是得從分立方案起步。”

 

比如GaN 快充當(dāng)前主要定位在旗艦機(jī)型，量并不是很大，客戶追求的是在特定客戶中快速上量，這樣的合作會(huì)以合封方案為主。隨著快充方案下沉到更多大眾機(jī)型，更低功率的產(chǎn)品上，客戶可能會(huì)根據(jù)成本考量選擇分立或合封方案。

 

值得注意的是，馮雷博士指出，GaN 器件在大功率的技術(shù)方向上不太可能走控制器合封路線，驅(qū)動(dòng)器可以考慮合封，但是這樣一來(lái)基本就放棄了GaN FET并聯(lián)實(shí)現(xiàn)更大功率的方案，反而分立式方案可以通過(guò)并聯(lián)多個(gè)功率管來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的功率，因此在大功率領(lǐng)域還有更多的路線要探索。

 

 

在當(dāng)前的GaN 生態(tài)中，GaN 企業(yè)供裸片晶圓給控制器產(chǎn)商合封并由控制器廠商主導(dǎo)推廣，是當(dāng)前及未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)比較主流的合作模式。

 

據(jù)集微網(wǎng)了解，控制器廠商采用不同的GaN晶圓來(lái)做合封方案，除了要解決與各家產(chǎn)品的適配性問(wèn)題，還可能面臨GaN FET產(chǎn)品的技術(shù)代差問(wèn)題。因?yàn)镚aN FET供應(yīng)商傾向于將最成熟、最穩(wěn)定的資源出貨給客戶，而不一定會(huì)把最新一代的技術(shù)開放給控制器廠商，這就會(huì)導(dǎo)致控制器廠商的合封方案中所使用的GaN 管并不是最新的技術(shù)或者說(shuō)最優(yōu)的解決方案。

 

為此，在充電器市場(chǎng)合封的趨勢(shì)引領(lǐng)下，控制器與GaN FET器件廠家的合作會(huì)越來(lái)越緊密，不排除未來(lái)形成更深度的合作比如股權(quán)層面的合作關(guān)系，甚至整合。

 

例如納微半導(dǎo)體在2021年上市后，先后收購(gòu)了比利時(shí)數(shù)字隔離器設(shè)計(jì)公司VDD tech，以及與希荻微合資的專注在模擬控制器和GaN 合封控制器的設(shè)計(jì)方面的合資企業(yè)，再加上之前收購(gòu)的SiC設(shè)計(jì)公司GeneSiC，納微完成了從單一GaN IC公司到綜合性的，全面專注的第三代半導(dǎo)體及控制器供應(yīng)商的轉(zhuǎn)變。

 

事實(shí)上，納微最近收購(gòu)的與希荻微的合資公司，雙方已經(jīng)合作了很久。詹仁雄告訴集微網(wǎng)，GaN 芯片與硅芯片不同之處在于客戶更重視我們的技術(shù)和質(zhì)量水平，需要在系統(tǒng)層面幫助客戶解決痛點(diǎn)。例如在快充市場(chǎng)，客戶更關(guān)注是否能做到更高集成度，能否保證穩(wěn)定的供應(yīng)，能否保證產(chǎn)品的穩(wěn)定和可靠性。“這也是納微收購(gòu)VDD以及我們和希荻微的合資公司的主要原因，我們可以在合封方案中納入更多的外圍器件，實(shí)現(xiàn)更高集成度的合封方案，簡(jiǎn)化客戶電源設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)一步提高可靠性，降低系統(tǒng)成本。”

 

不過(guò)納微仍是當(dāng)前為數(shù)不多的可以為合封方案同時(shí)提供功率氮化鎵晶圓和硅控制器晶圓的供應(yīng)商，保證了產(chǎn)品的一致性和供應(yīng)安全。

 

華潤(rùn)微表示，合封器件目前還有一些短板，很難做到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，基本都是定制化，不管是控制芯片還是GaN FET，每個(gè)不同的組合都是特定的，同時(shí)外圍的工作電路也會(huì)相應(yīng)有差異，大功率領(lǐng)域還要考慮到溫升問(wèn)題。

 

南芯指出了GaN 合封的三個(gè)難點(diǎn)，一是GaN FET的成本和可靠性問(wèn)題；二是控制器的方案和性能表現(xiàn)；三是封裝的寄生參數(shù)設(shè)計(jì)和散熱問(wèn)題。“合封后的測(cè)試、熱應(yīng)力、可靠性都是需要解決問(wèn)題。”該公司表示，“未來(lái)GaN FET會(huì)和控制器更加深入的合作，并集成更多的功能，比如電流、溫度檢測(cè)等，進(jìn)一步降低整體成本，提高系統(tǒng)可靠性，讓GaN 合封方案滲透到更廣闊的市場(chǎng)。”

 

至于是否會(huì)有更多的整合出現(xiàn)，南芯認(rèn)為，GaN FET的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和控制器畢竟屬于兩種不同的品類，直接從事另外不擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，需要重建團(tuán)隊(duì)，重金投入研發(fā)，如果沒(méi)有更高的市場(chǎng)份額、更廣的市場(chǎng)方向作為基礎(chǔ)，可能會(huì)得不償失。“我們認(rèn)為，聯(lián)合開發(fā)，深度合作，更符合當(dāng)下和未來(lái)數(shù)年的市場(chǎng)方向。”

 

總結(jié)來(lái)看，無(wú)論是分立方案還是合封方案，仍是客戶基于設(shè)計(jì)、性能、成本，應(yīng)用領(lǐng)域等多方面綜合考量，做出權(quán)衡取舍后的結(jié)果。不過(guò)就控制器領(lǐng)域來(lái)看，目前市場(chǎng)主力仍以歐美國(guó)家品牌為主，包括英飛凌、恩智浦、安森美、MPS、TI、PI等等。過(guò)去幾年國(guó)內(nèi)的品牌也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在芯片性能等方面已沒(méi)有太大差距，甚至在本地支持、應(yīng)用拓展等方面更具優(yōu)勢(shì)。在當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)環(huán)境下，對(duì)國(guó)內(nèi)的廠商可以說(shuō)是一個(gè)千載難逢的機(jī)遇，通過(guò)上下游資源整合形成深度戰(zhàn)略聯(lián)盟合作，漸漸替代國(guó)外品牌提升市場(chǎng)占有率將是必然的趨勢(shì)。

 

 

事實(shí)上，快充僅僅是GaN 應(yīng)用的開端，GaN 在功率器件市場(chǎng)的發(fā)展仍處于初期，在市場(chǎng)和技術(shù)雙方仍有廣闊的發(fā)掘空間，GaN 功率器件也需在制造工藝、器件設(shè)計(jì)、成本優(yōu)化、應(yīng)用場(chǎng)景等方面齊頭并進(jìn)，才能使得GaN 材料的應(yīng)用進(jìn)入徹底爆發(fā)期。

 

 

從市場(chǎng)角度來(lái)看，除了在消費(fèi)電子領(lǐng)域的路越走越寬，GaN 在數(shù)據(jù)中心、可再生新能源、汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)展現(xiàn)了光明的前景。Yole預(yù)計(jì)，隨著能源效率監(jiān)管變得更加嚴(yán)格，中期的GaN 滲透將會(huì)增加。數(shù)據(jù)中心對(duì)于采用48V負(fù)載點(diǎn)系統(tǒng)以降低功耗和布線量產(chǎn)生了興趣，這將有利于GaN 用于低電壓應(yīng)用，推動(dòng)2021-2027年期間GaN 在數(shù)據(jù)通信/電信市場(chǎng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá)到69%，到2027年市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)6.178億美元。

 

汽車是另一個(gè)激增的應(yīng)用領(lǐng)域，在直流-直流轉(zhuǎn)換器（DC-DC）和車載充電器（OBC）等應(yīng)用推動(dòng)下，到2027年，GaN 汽車市場(chǎng)預(yù)計(jì)將超過(guò)2.27億美元，2021-2027年復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到99%。

 

詹仁雄透露，在新能源車領(lǐng)域已布局OBC、DC-DC，電驅(qū)等基于氮化鎵和碳化硅器件混合設(shè)計(jì)的完整解決方案，與此同時(shí)納微氮化鎵芯片已經(jīng)被國(guó)內(nèi)和海外頭部的微型逆變器，儲(chǔ)能和服務(wù)器電源廠商采用，2023年進(jìn)入大批量的生產(chǎn)。

 

國(guó)內(nèi)多數(shù)GaN 玩家基本均已向數(shù)據(jù)中心、汽車等市場(chǎng)發(fā)起沖鋒，不過(guò)華潤(rùn)微、南芯等公司也強(qiáng)調(diào)，汽車領(lǐng)域作為工業(yè)類較高等級(jí)的細(xì)分領(lǐng)域，可靠性要求比消費(fèi)類電子要高很多，尤其是在更惡劣環(huán)境應(yīng)用中（高溫、高濕變化）對(duì)器件性能穩(wěn)定性提出了更高層次的需求，這需要器件層面的設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化以及封裝技術(shù)的優(yōu)化。趨勢(shì)是必然的，但是需要時(shí)間來(lái)培育。

 

 

眾所周知，硅材料適用于低壓（60V及以下）和低功率器件，GaN適用于中電壓（60-1200V）和中等范圍功率器件，SiC適用于高電壓（1200V及以上）和高功率器件。而GaN功率器件又可以分為低壓應(yīng)用（30-200V）和高壓應(yīng)用（650V以上），以高壓電網(wǎng)到低壓SoC的供電系統(tǒng)舉例，高壓在前級(jí)，低壓在后級(jí)，越接近低壓的SoC端，GaN功率器件的應(yīng)用場(chǎng)景和需求就越多。

 

而從快充到電動(dòng)汽車、激光雷達(dá)、數(shù)據(jù)中心等諸多GaN 應(yīng)用，多數(shù)都是650V及以上的高壓功率器件，主要是AC-DC轉(zhuǎn)換生態(tài)；以80V-200V，30-60V為應(yīng)用場(chǎng)景的兩個(gè)低壓GaN技術(shù)區(qū)間，以DC-DC轉(zhuǎn)換生態(tài)為主，這一區(qū)間有著更巨大的潛力。集微咨詢（JW insights）指出，以30-60V平臺(tái)的為例，這部分低壓GaN主要面向消費(fèi)電子市場(chǎng)，而消費(fèi)電子設(shè)備每年全球的出貨量約在20億臺(tái)，包括智能手機(jī)、筆記本電腦等，由于這些市場(chǎng)對(duì)價(jià)格極其敏感，GaN 將首先在高端領(lǐng)域采用。而高端智能手機(jī)每年出貨約7億臺(tái)，筆記本電腦1億臺(tái)左右?，F(xiàn)有的技術(shù)平臺(tái)，每一臺(tái)設(shè)備中GaN的機(jī)會(huì)點(diǎn)保守估計(jì)在4-5顆器件，每年總計(jì)就是約30億顆GaN芯片的機(jī)會(huì)點(diǎn)。

 

英諾賽科如今已經(jīng)可以提供全鏈路GaN解決方案，有AC-DC（PFC）、DC-DC（400V-48V）、DC-DC（48V-12V）、DC-DC（12V-1V），例如去年推出的INN040W048A是全球首款導(dǎo)入手機(jī)內(nèi)部的GaN芯片，已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)知名手機(jī)OEM的手機(jī)電池管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電源分配管理；某知名品牌的全球首款A(yù)ll-GaN技術(shù)快充產(chǎn)品中，在AC端和DC端同時(shí)使用了英諾賽科芯片。

 

“GaN 以快充為代表的AC-DC轉(zhuǎn)換生態(tài)已經(jīng)很成熟了，二次側(cè)的同步整流控制器，需要更多合作伙伴一起積極合作來(lái)充分發(fā)掘市場(chǎng)空間。”馮雷博士呼吁。

 

 

驅(qū)動(dòng)集成的GaN 芯片除了當(dāng)前主流的驅(qū)動(dòng)合封方案，另一個(gè)思路就是硅驅(qū)動(dòng)芯片和GaN FET集成在一片晶圓上，納微得以實(shí)現(xiàn)如此高的集成度的原因正是采用了單片集成的路線。單片集成的功率GaN IC可以最大程度的消除驅(qū)動(dòng)回路的寄生參數(shù)，讓系統(tǒng)工作在更高的頻率，也使得一些兆赫茲頻率的應(yīng)用成為可能。

 

正如馮雷所說(shuō)，半導(dǎo)體器件都會(huì)經(jīng)歷由分立到集成的過(guò)程，同樣GaN IC注定是邁向高功率密度和系統(tǒng)集成的下一步。然而，盡管GaN 應(yīng)用于功率器件之初研究人員就已提出過(guò)單片集成的路徑，最終未成為主流選擇，則是受制于垂直GaN 器件工藝的復(fù)雜。

 

“最初單片集成方案除了工藝、成本瓶頸，還面臨著當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上能夠直接驅(qū)動(dòng)GaN 的控制器資源也非常有限。”馮雷解釋，“現(xiàn)在形勢(shì)完全不同了，包括國(guó)產(chǎn)的AC-DC、控制器廠商基本從起步就已經(jīng)對(duì)應(yīng)到直驅(qū)GaN 的需求了。成本方面，比如英諾賽科從成立之初就推動(dòng)8英寸GaN 的量產(chǎn)，在品質(zhì)控制、良率控制、工藝技術(shù)等方面都積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。今后隨著行業(yè)整體轉(zhuǎn)向8英寸，可以提高性能的同時(shí)將生產(chǎn)成本降下來(lái)。”

 

詹仁雄指出，現(xiàn)階段，納微不僅證明了高度集成的GaN功率IC的可靠性和易用性，與此同時(shí)在手機(jī)標(biāo)配充電器上實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)硅方案更加便宜的系統(tǒng)成本，觸發(fā)了GaN功率IC替代傳統(tǒng)硅功率器件拐點(diǎn)的提前到來(lái)。“基于納微獨(dú)立設(shè)計(jì)的控制器和GaN IC將給消費(fèi)類市場(chǎng)帶來(lái)一場(chǎng)新的革命。”

隨著越來(lái)越多GaN 參與者重新關(guān)注單片集成的技術(shù)優(yōu)化，大尺寸、大規(guī)模GaN 晶圓產(chǎn)能擴(kuò)充，以及新興應(yīng)用的開發(fā)，將進(jìn)一步降低 GaN器件的成本，推動(dòng)GaN在大規(guī)模商業(yè)上的采用。

 

GaN 器件的技術(shù)革新還在不斷推進(jìn)。盡管當(dāng)前半導(dǎo)體行業(yè)尤其消費(fèi)電子市場(chǎng)持續(xù)低迷，但半導(dǎo)體行業(yè)的周期是永遠(yuǎn)不可回避的。在產(chǎn)業(yè)低谷期充分準(zhǔn)備好技術(shù)的迭代，才能以更好的姿態(tài)去擁抱下一次高峰。 

 

來(lái)源：愛集微