【芯版图】价格每年下降二到三成将逼近硅成本,GaN蛰伏15年迎爆发

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集微网消息(文/小北)小米10亮相即成为新晋“带货王”,带火GaN(氮化镓)充电器、WiFi6等配置的同时也将推动行业的硬件升级。

GaN优势明显,芯片设计难度重重

正如雷军所言,GaN作为一种新半导体材料,给充电器带来了无法想象的效果。

“GaN器件可以实现比硅器件快100倍的开关速度。硅半导体器件向前推进可以实现200K开关频率,而以纳微GaN产品为例,单管已经可以实现20M的开关频率。被小米10 Pro充电器采用的纳微半导体65W氮化GaN方案,开关频率仅设计在500K左右,是传统硅器件的6-7倍的速度,但其优点已经非常显著了。”纳微(Navitas)中国区总经理查莹杰在接受集微网记者采访时解读GaN优势背后的原因。

不过,高频化也带来众多挑战。

查莹杰表示,过去十几年中,大家对氮化镓的印象是器件可靠性不是特别好。这是对器件的一个误解,器件本身已经非常可靠,而是高频化会对周围电路要求更为苛刻,例如带来很多噪声、干扰的问题。

换而言之,驱动、控制和保护GaN这样的高速器件成为行业的挑战,从而使其应用受到限制。

“为了克服这个问题,纳微成为了全球第一家GaN功率IC公司。纳微采用GaN工艺做驱动、保护、逻辑控制、电平转换电路,并将这些关键的数字和模拟电路与GaN功率器件单片集成,这样寄生参数大幅下降,实现高频化的可靠性,系统问题得以解除。此外,对于工程师而言,使用更为简单,通过数字信号就可以进行控制,这是纳微非常独特的技术,我们在该领域拥有超过40项专利。”查莹杰补充道。

据介绍,对于GaN IC而言,设计难度是最大的。用GaN做功率器件常见,但利用GaN做小信号器件却极少见。在GaN的元件库中,小信号方面非常匮乏。纳微有一支很大的团队,在过去5年时间专注于用GaN做逻辑控制电路等。

GaN历经多年磨练,迎来春天

小米带货、雷军打call,纳微成为近期备受关注的 IC企业、GaN企业之一。其实,纳微成立于2014年,在GaN领域已深耕数年。

查莹杰表示,GaN从IR做第一个功率器件到现在已历时15年以上,而2018年后GaN器件才真正进入一个大批量量产的过程。目前GaN功率器件玩家主要有两类,一类是基于IR“基因”的初创公司,另一类是功率半导体巨头们,不过每一家在技术路线上都有明显的差异,且每一家都在走尝试性路线。

USB PD快充是纳微专注的市场之一。相比硅半导体方面,GaN方案在体积、效率等方面优势明显。据查莹杰介绍,在价格方面,由于GaN器件的量还没有起来,所以价格是传统硅器件的2倍以上,但是可以预见在未来的2-3年,GaN器件价格将以每年20%-30%下降,因此会迅速逼近硅器件的成本,这也是GaN迎来爆发式增长的关键节点。

查莹杰也指出,在消费领域纳微GaN产品优势已得以体现,去年累计出货量实现150万颗。随着GaN器件在手机以及笔记本电脑领域渗透率进一步提升,我们认为GaN器件今年在消费市场总体出货量会在1500-2000万颗。

发力四大领域,全面替代硅仍需时间

USB PD快充之外,纳微还瞄准了服务器电源、数据中心电源、5G基站电源市场。

查莹杰指出,这三大领域的共同特点是,需要省电、效率需提升、功率等级不是很大,而这恰符合GaN工作的范畴。

目前可以看到GaN器件在逐渐替代传统硅器件。不过,查莹杰认为,短期内GaN不会广泛替代以上四大领域外的硅产品,主要受成本、生态等因素限制。

查莹杰以USB PD快充生态建设为例,他指出,功率芯片高频化带来新的设计挑战,例如磁芯、控制器是否具备了高频能力。纳微与2016年开始与安森美、TI等合作,致力于“定制化”的器件,并于2018~2019年实现量产;还与日立等在高频磁芯方面合作。这是一个生态建立的过程,生态的建立需要很长的时间。

此外,查莹杰也指出GaN器件的功率密度也需要用“系统”的眼光来看,可以坚信的是,GaN器件功率密度会有很快的提升。

据介绍,纳微在芯片集成度上进一步加强,2020年纳微将发布最新的、更高集成度的芯片。除了现有产品以外,纳微也在为中大功率做一些准备,例如服务器电源、数据中心电源产品,芯片已经开发完毕,会在封装上进行多元化的设计。

封装设计,也是纳微中国将重点布局的方向。

查莹杰表示,纳微全球有70多位员工,中国有20位,其中深圳以前端客户支持为主、杭州负责平台化的设计支持、上海负责华东地区的销售。中国现有团队以外,纳微将增加封装设计、芯片设计、下一代应用平台设计的员工。

(校对/范蓉)

责编: 赵碧莹
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