意法半导体展示其在功率GaN方面的研发进展

据麦姆斯咨询报道，在许多电力系统中，氮化镓（GaN）是替代硅材料的合适候选者。正如Yole在《功率GaN：外延、器件、应用及技术趋势-2018版》报告中所阐述，GaN与传统的硅基MOSFET相比具有惊人的技术优势。尽管与32.8亿美元的硅基功率半导体市场相比，目前功率GaN市场仍然很小，但GaN器件拥有较好的前景。

回顾2018年，多款GaN电源产品发布，主要涉及计算机、数据中心和快速充电。预计2019~2020年期间，将会有更多GaN产品问世，实现百万美元级营收。此外，我们在上述报告中介绍了有兴趣进入GaN市场的新公司，包括无晶圆厂（Fabless）和IDM。对于一些IDM厂商来说，在其产品组合中加入功率碳化硅（SiC）之后，将很快布局GaN技术。意法半导体（STMicroelectronics, ST）是一家将产品组合扩展至GaN的典型公司。去年夏天，特斯拉（Tesla）Model 3主逆变器中采用了意法半导体SiC功率模块。正如《特斯拉Model 3逆变器：意法半导体SiC功率模块》报告中介绍，该功率模块包含两个采用创新的芯片贴装解决方案的碳化硅MOSFET，并通过铜基板实现散热。

碳化硅MOSFET采用意法半导体最新的技术进行设计和制造，可降低传导损耗和开关损耗。今年9月，意法半导体展示了其在功率GaN方面的研发进展，并宣布将建设一条完全合格的生产线，包括GaN-on-Si异质外延。近日，Yole电力电子技术与市场分析师Ana Villamor（以下简称：AV）有幸与意法半导体功率RF和GaN产品部经理Filippo Di Giovanni（以下简称：FDG）会面，讨论意法半导体与CEA-Leti在GaN研发方面的合作情况，以及未来几年功率GaN路线图。AV：意法半导体最近与CEA-Leti展开功率GaN合作，您可以透露更多的合作细节吗？FDG：与CEA-Leti的合作伙伴关系让我们在常关型GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）和GaN二极管设计及研发方面进行合作。受益于CEA-Leti的知识产权（IP）和意法半导体的专业知识（Know-how），双方合作进展顺利。我们将在位于法国格勒诺布尔的CEA-Leti中试线上研发产品，并在技术成熟后转移至意法半导体的8英寸量产线（也在法国）。

我们将研发GaN新产品，以补充意法半导体现有的硅基和SiC功率产品。AV：意法半导体还宣布了与MACOM合作研发射频（RF）GaN产品。请问这两项合作之间是否有任何协同作用？FDG：没有，这两项合作是独立。与MACOM的合作旨在研发专门针对射频市场的GaN-on-Silicon产品。我们正在位于意大利卡塔尼亚的意法半导体办公室开展此项研究工作，这将使MACOM更好地进入不断增长的电信基础设施市场，而意法半导体可以使用相同的技术来拓展非电信行业，如ISM（工业、科学和医疗）、航空电子和射频能源。

2018年功率GaN产业链全景（来源：《功率GaN：外延、器件、应用及技术趋势-2018版》）

AV：我们知道意法半导体在SiC业务方面很活跃，你们在产品组合中如何定位SiC和GaN呢？FDG：意法半导体正在投资研发这两项突破性技术。SiC MOSFET基本上是1200V及更高电压的功率器件的理想选择，而GaN则不能实现如此高的电压。在650V附近，这两项技术可能存在一些重叠，但这仅适用于较低的频率，因为GaN技术在非常高的1MHz开关频率下表现更好。在600V以下，GaN再次成为明显的“赢家”，不过在该范围内，它与硅基技术展开竞争，而非SiC。简而言之，SiC MOSFET是高压和高功率应用的理想选择，而GaN更适合低压和低功率应用，但具有高开关频率。AV：汽车是电力电子市场最重要的驱动因素之一。GaN在汽车市场中的作用是什么？预计上市时间？FDG：预计GaN将成为以下两类应用的主流开关：（1）EV（电动汽车）车载充电器（OBC）中的PFC（功率因数校正）；（2）大多数汽车制造商未来几年计划推出48V电池的轻度混合动力项目。上市时间取决于技术成熟的速度，并且我们可以在此基础上建立对失效机制和可靠性问题的洞察力，这些失效机制和可靠性问题可能与硅基产品不一致。鉴于汽车行业的生命周期，预计2022年之后的某个时间可能会出现快速增长。

车载充电器

AV：您对D类和E类开关模式器件有何见解？他们的目标应用是什么？FDG：所有功率转换应用，包括已经由MOSFET、IGBT和SiC晶体管解决的应用，都需要E类开关模式器件。在射频应用中，晶体管用于功率放大器，可以使用D类开关模式器件。AV：意法半导体GaN产品（如GaN晶体管和GaN-on-Si二极管）与其它产品有何区别？FDG：意法半导体拥有丰富的封装经验和专业知识，特别是在非常高的频率方面。再加上我们的卓越制造能力，使得意法半导体的GaN产品与其它厂商产品相比，极具竞争力。AV：从意法半导体的角度来看，选择功率产品封装的主要因素有哪些？FDG：根据我们经验，散热性能（例如双侧冷却）和低寄生电感是选择功率产品封装的两个关键因素。

意法半导体SiC功率模块组装在散热器上（来源：《特斯拉Model 3逆变器：意法半导体SiC功率模块》）AV：意法半导体GaN产品的研发状况如何？FDG：650V产品原型预计将在2019年下半年推出。AV：最后请您介绍意法半导体未来五年的产品路线图吧。FDG：在650V产品之后，我们计划推出100V~200V产品，然后是集成解决方案，包括封装集成和单片集成。