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第五屆EEVIA年度中國ICT媒體論壇暨2016產業和技術展望研討會 時間：2016.01.14 下午 地點：深圳南山軟件創業基地 IC咖啡 演講主題: 新型GaN功率器件的市場應用趨勢 演講嘉賓: 蔡振宇 富士通電子元器件市場部高級經理 主持人：接下來開始第三場演講。大家知道無論消費電子產品還是通訊硬件、電動車以及家用電器，提升電源的轉換能效、功率密度、延長電池使用的時間，這已經是比較大的挑戰了。所有這一切都意味著電子產業會越來越依賴新型功率的半導體。有調研數據表明，到2020年氮化鎵有望獲得100%的年復合增長率。獨特的半導體在功率當中獲得了日益廣泛的應用，相比硅這個器件更具有更低的反向充電和更低的恢復時間，憑借這些優異的特性，氮化鎵的器件正在填補電源設計發展路線圖的空白，即在新興應用中發揮更高的效率。 接下來有請來自富士通電子元器件公司的蔡振宇先生，他是擔任市場部的高級經理，有請蔡振宇先生給我們介紹該公司代理的氮化鎵產品主要的應用場景和未來的趨勢。有請蔡先生。 蔡振宇：謝謝大家，大家上午好! 開始演講之前我要謝謝EEVIA，每年都組織這樣一個媒體和工程師交流的會議。去年我們帶來的是半導體的產品，今年借著IOT的東風，講一下新型的功率技術氮化鎵產品。今天講一下氮化鎵目前比較熱的情況，就是基于氮化鎵做的功率器件，會給我們的電源設計帶來更高的開關頻率、更高的效率和更高的省電率。 今天介紹的不是我們富士通自己的產品，我們代理了一個公司的產品。大家會說富士通以前是原廠，現在為什么擔任代理角色。我們富士通去年3月份做了一個華麗的轉身，變成半原廠、半代理商的角色。去年3月份我們富士通把自己的半導體的LSI部分和松下的半導體LSI部分合并成立了新的公司索喜科技，富士通占40%的股份，松下20%。我們在日本也有兩個晶圓制造代工廠，加上富士通電子的鐵電存儲(FRAM)。還有一個我們轉型后比較看重的產品，就是我們合作伙伴的產品，大家可以理解為是我們代理的產品。整個在亞太有這三部分的產品組成整個富士通電子在亞太售賣的產品。 這邊給大家介紹一下，2014年2月份，富士通是把氮化鎵的這個部門轉給了Transphorm公司，包括我們研發一些IP都轉到該公司，Transphorm所有的晶元產品都是在我們富士通的工廠去生產。還有一部分是把這部分資產做到那個公司里面去。其實我們跟那個公司的關系是比較密切的，不只是代理商與原廠之間，它也是我們晶圓代工服務的客戶。 后面著重給大家介紹一下Transphorm氮化鎵的產品有什么特點。Transphorm公司2007年在加利福尼亞州成立的。谷歌等多家知名公司都是它的股東，一輪融資融了6億美金，去年拿到三輪融資，3000多萬美金。 下面講一下Transphorm氮化鎵跟現在用的MOSFET有什么大的區別，這些區別可以應用在哪些比較適合的應用場景。 大家可以看到，我這邊叫HEMT，而不是傳統的，是高速移動的電子的晶體管，跟我們現在用的MOSFET結構不一樣，它可以做到電子快速移動，在它的三級結構中。 在整個功率器件發展的過程中，大家可以看這個圖，1970年有第一個可控硅出來，隨著時間和技術的推移會功率密度要求變得逐漸提升，后面是二級的晶體管，慢慢到90年代末出現了IGBT。2000年的時候在整個技術領域就提出了，現在硅基產品達到了物理極限。現在我們要讓開關頻率進一步提高，怎么辦?現在整個市場上有兩個新材料，一個是我今天介紹的氮化鎵，還有一個是碳化硅。這條圖代表整個功率器件未來技術發展的方向。 這邊我們列出了一個比較的表格，市場上比較常用的碳化硅和氮化鎵的基準，就是本身材質的比較。這個表不多說了，我們列出來幾個特點：首先，氮化鎵和碳化硅給到客戶的最大特點是開關頻率可以很高，整個材質比較適合高壓的應用。碳化硅和氮化鎵兩個材質各有各的特點，氮化鎵的電子流動性會比較高，開關性能，也就是你可以長時間開關，實驗室做起來可以有很高的速度。你可以看到市面上很多射頻產品都是基于氮化鎵做的，甚至跑到5G、6G的產品都是氮化鎵做的，所以氮化鎵的開關性特別好。碳化硅是另外一個材質，它的高壓性能會比較好一些，高溫的性能比現有的氮化鎵好一些。這是現有的兩種功率器件的不同點。 基于這個再延伸下去。前面介紹我們叫氮化鎵的HEMT，它是高速的。你把橫截面切開，從半導體的結構來看跟普通MOSFET模式不一樣，電流是橫向流，它是在硅的襯底上面長出氮化鎵。特別是功率器件，它是S極垂直往上的，上面是S極流到D極，與傳統的MOS管流動不一樣。總體來說我們跟碳化硅和氮化鎵做一個比較，有幾個數據大家注意一下。首先是載流子的能力，代表的是電流的力度，也就是功率多少安培。氮化鎵可以做到10。另外一個是載流子的能力是1500的能力，碳化硅是600這個數字。這個數字帶來的意思是運行速度和開關的速度可以提升的比較好。基于這兩個特點，它會帶來氮化鎵的功率管和其他不同的特點。 這邊給大家介紹一下現在用的產品的內部構造。從結構來說它是這樣一個結構，但是目前我們所有的產品在技術和研發上有兩個方向，一個是上電的管子是關著的，還有一種是上電以后管子是打開的。基本上前面的產品是沒有辦法用的，因為一上電管子就關了。我們有一個友商叫P公司，他們在第一個管子上面人為的做成Normally off(常關)，隨著時間變長可以加速，原來5伏可以打開，慢慢時間越長可能6伏才能打開。隨著長時間應用，跟原來用一兩年前的產品不一樣。這就帶了問題，Transphorm想出了一個辦法，用常開的產品達到常閉產品一樣的性能，他是通過增加一個低壓MOS管，這個結構就是Cascode結構，我們通過這個門級的低壓來控制整個氮化鎵的開關，也就是雖然上面是開，但是通過這個東西可以把它變成關斷的狀態，通過這個來控制它的工作。 這樣的結構帶來一個什么好處呢?首先它的閾值非常穩定的在2V。什么概念?給5伏就可以完全打開，一旦到0V會完全關閉。如果讓它完成OV off要全部關掉。我們這個要正負18V，而且這個結構帶來一個好處，氮化鎵的驅動和現在的硅基是兼容的，你可以無縫的連接到氮化鎵的功率器件上，沒有必要說改成新的結構，這對工程師設計會帶來一些好處，這是我們現階段用這個結構最大的特點和優勢。當然，我們會跟大家講，我們最后的目標還是做成Normally off的產品，但是現在的時間節點沒有辦法達到比較理想，過一段時間會做類似這樣的產品。 大家可能有一些想法，如果這里加的一個外圍器件，會不會影響到整個產品的性能?前面有介紹氮化鎵的產品速度很快，反向會不會影響它的速度呢?這個圖告訴大家不會影響。當你正向打通的時候，電流會從這個地方通到D這邊。反向的時候，這個關的沒有那么快，旁邊有一個類似于反向快恢復二極管，電可以通過這邊走掉。當這個開關打通以后，電流這邊可以正常的流掉了，這樣就完全沒有說反向打通會延遲影響你的氮化鎵芯片的速度問題。這樣的結構會帶來比較好的結果，產品的速度比較快。 大家可能想，你講了很多氮化鎵很好的方面，到底好到什么程度呢?我們現在找了一個市場上比較流行的廠家的產品。我們比較了幾個數據(見PPT)，第一個是我們第一代的產品，還有一個比數字代表了正向導通的速度，一般的是44的數據，我們是62。QRR一般是5300，我們是54，只有它的一百分之一的，這幾個數據表示我們速度很快。 后面會給大家介紹具體的優勢。我們還有一系列的比較，可以看到第一代的產品完全不輸于它，現在已經做到第二代的氮化鎵的產品，大家可以拿這個跟傳統的硅基比較。 大家說，你第一個出來，我不要做小白鼠，你這個到底可靠性怎么樣?看看這個圖，我們600V的氮化鎵產品是第一個也是唯一通過JEDEC業界認證的氮化鎵產品，要通過這個認證，需要通過一系列的認證測試，比如高、低溫測試、高濕測試，每個測試項要經過77個產品的檢測，放在三個不同的地方做這個測試，等231顆完全沒有問題才通過這個實驗，我們做了那么多實驗都完全沒有問題，所以我們產品的可靠性也是值得大家信賴和使用的。而且這對于電源和工程師來說帶來的是非常可靠的指標。 給大家介紹一下我們現在產品的情況。2013年我們出品的是3006這一顆，它的封裝是TO220。2014年出了一顆，一顆是3002。2015年主要推出兩個，和3205和3206，主要是富士通工廠生產的。未來可能會往高壓，今年會推出900V和1200V的產品。后面會往低壓方面走，做150V的。除了單顆的氮化鎵以外，模組的產品我們也有。這是整個產品結構的狀態。 從我們現有的市場上的技術能力或者技術的研發水平來說，大概會在2017年和2016年底推出我們的E-Mode，我們會把不利的因素解決掉才會做。我們會把Cascode轉換到Emode。從電流角度來說，我們2014年推出第一顆TO240的產品，電池從30、40，慢慢往60、70、80的方向發展，相對應的功率也越來越大。這是從技術節點來說未來氮化鎵的走勢。 這是具體的現有產品的參數(見PPT)，主要是三個，一顆是3002，一顆是3002，還有顆是3205的WS的產品。這是整個現有產品的狀況。大家可以看到，我們的功率器件的背板有PS的，有PD的，現在背板做成PS的，相對來說性能和散熱片的安裝會更方便一些。還有一點，我們不是跟現在的MOS管兼容的，我們常用的是GSD的，大家要注意這一點，氮化鎵的跟這種不是兼容的，你要用到氮化鎵這種特有的特點的話，可能需要重新做一個板。現在氮化鎵跑的頻率比較高一點，如果跑的跟現在一樣的頻率，可能沒有辦法體現現在氮化鎵產品的優勢。跑到500K或者200KHz的時候氮化鎵的特點就發揮出來。 先面講氮化鎵產品本身的特點，后面講一下這個產品給工程師實際應用中帶來什么好處。 第一個應有是太陽能逆變，這是我們比較看重的產品應用。首先是一個量產的產品，是Yaskawa，是日本的一個廠商，每個人買來在家里自己裝的。用它跟太陽能的做一個比較，它用的是氮化鎵，三菱用的是碳化硅，做出來的結果怎么樣?從整個體系來說，Yaskawa比三菱的少了28.8這個體積。Yaskawa是11公斤，他們這個17公斤，重量我們比它小37.8個百分點，尺寸和重量都有減少。最重要的是輸出功率，我們是4.5千瓦，三菱的只有4.4千瓦，這個不是太大問題。就差兩個點，我這個產品售價可以比它貴10%左右。從這個角度大家可以看到氮化鎵的特點很明顯，可以把產品尺寸做小，重量減輕。 大家就問，跟現在的硅基來比，我把Yaskawa的產品拿出來比，我們跟類似的產品做了一個比較，也是做4.5KW，原來的效率是95，用了氮化鎵之后效率變成98。從體積來說，本來18升，現在可以做成10升。這就是氮化鎵帶來的特有的優勢，整個尺寸體積減少了40%，它的功耗損失減少了40%。既做小了體積又提高了效率，這是氮化鎵產品給大家帶來的獨有的優勢。大家有興趣可以看到后面我帶來的1000W太陽能逆變產品，它用4顆氮化鎵做的，體積很小，如果是傳統的硅基會做的很大體積。 最后介紹一下服務器電源的特有應用，有一個Totem pole的結構。常用的實驗室的設計有什么特點?可以達到最高 99%的效率，體積也更小。從技術上來說，這結構很早就提出來了。等氮化鎵這個產品出來以后，Totem pole是未來比較有前景的結構。 大家可以看一下，這是我們做出來的一個Totem pole的表現(見PPT)，這就是氮化鎵做的超級反向結構的表現。現在傳統的是這樣的結構，用我們的結構就可以把中間這六個環節拿掉，每個可以少0.7V，電感也可以拿掉。從氮化鎵來說，整個器件可以減少，頻率也可以提高，尺寸也減少，帶來一個好處是變得更輕便。效率可以做的更高，甚至可以達到98%、99%，對電源來說這樣一個產品是很好的。但是也會帶來一些問題，EMI等等的問題，后面我們會幫大家解決這個問題，因為畢竟這是比較新的Totem pole結構。 給大家講一下比較普通的電源，特別是電腦主板上用的電源。這塊板(見PPT)我今天也有帶來。這是原來一個板的尺寸，我們做到同樣的輸出功率、同樣的效率，甚至比它更高的效率，尺寸小了這么多。為什么會小?因為我們現在跑的PWW是跑200KHz的氮化鎵，他現在跑的是50-80KHz。 再看一下效率，下面是基于硅基的電源效率，上面綠的是用氮化鎵做的電源效率，具體有多大提升?大概滿載的時候效率是1.7%，十分之一負載的時候大概高3%，很重要的是尺寸可以少45%，這45%對大家來說就是體積更小，做得更漂亮，可以賣的價格更高，客戶也愿意接受這個價格，這是所有廠家愿意看到的情況。 我們現在是基于這樣一個板(見PPT)，這是里面的一些器件，現在是這樣一個尺寸。用了我們的氮化鎵以后，只要跑到200kHz，各方面的效率會提的更高，電容尺寸也可以小一些，整個板的尺寸可以減少20%，體積可以減少30%，給大家帶來更高效率、更小體積的轉換器，這是氮化鎵可以做到的一個特點。 前面給大家介紹了我們單顆芯片的特點，氮化鎵本身材質的特點和一些應用的特點。后面給大家做一個總結，看具體能夠給業界帶來什么優勢。 首先，第一代氮化鎵已經達到硅基甚至比硅基有更好的物理性能。我們第一代的產品已經比硅基好，去年第一季度推出第二代，我們的產品性能比原先更有提升。下一代的產品會做更低成本、更好的性能，最終目標還是做到E-mode的氮化鎵產品。從可靠性來說我們是業界第一名。大家知道氮化鎵所有的功率廠商都在研究，像東芝等等都在做，但是通過實驗的只有我們一家。我們會繼續走下去，會做很多動態和靜態的測試，不斷的往下面走。 對工程師來說，我們的產品很容易去用，驅動的設計比較簡單，兼容你現在用的驅動的電路。我們還可以優化你的設計。我們在中國在北京、大連等等都有辦公室和工作人員支持大家的工作。現在幾個大廠都關注用氮化鎵這個產品，包括臺灣的臺達和國內一些做電源的廠家，包括華為已經慢慢用氮化鎵做產品，今年是氮化鎵非常重要的一年。 很多媒體朋友可能說，你說氮化鎵那么好，是不是很貴?肯定是很貴。2013年的時候，我們這個產品推出的時候大概是3倍的價格，最早我們做在4寸的晶元上，到2014年大概是2倍左右價格的范圍，去年隨著用量和結構生產制成的改進，2015年轉到富士通改用5寸到6寸的，達到的是1.5倍-1.6倍。2016年我們估計隨著量產價格慢慢降低，可以做到1.2倍-1.3倍傳統的這種價格。這有利于氮化鎵產品的推廣。 順便提一下，前面談到一個材質叫碳化硅，它的襯底都是碳化硅做的，碳化硅很硬，要鉆石刀才能切。從未來成本的角度，氮化鎵會比碳化硅更便宜，所以工程師可以放心使用，特別是高壓的使用也沒有問題。 這就是我今天要講的內容。大家有什么問題嗎? 現場提問：氮化鎵的通電跟碳化硅在導通電阻RDSon那些比有什么區別? 蔡振宇：從技術角度來說，我們現在的產品跟碳化硅差不多的級別。有的現在做到10幾豪歐，我們現在推出的做到50幾個豪歐，對我們來說目前跟硅基和碳化硅差不多的結果。目前我們用的是這樣一個結構(見PPT)，相對來說跟現有的硅基和碳化硅差不多，如果把這一部分拿掉我們會有比較高的改善。 現場提問：因為現在開發比例高了很多，為什么讓整個電效率提高呢? 蔡振宇：電源的效率有兩部分，一個是傳統的，一個還是開關損耗，關到一個時間有一個緩向恢復的，我們氮化鎵可以把這部分降到很低的產品，當頻率提升的時候反而把效率提高，散熱更好，頻率更高。我們后面放了250瓦的電源，大家可以看一下，散熱很好，頻率更高。 現場提問：EMI你們怎么處理的? 蔡振宇：我們后面可以給你介紹一下，因為我們有專門EMI的設計團隊，可以幫助指導你怎么做PCB和怎么過EMI測試。現在電源方面，250瓦的完全可以，包括EMI測試的接口完全可以給到你，你可以會后聯系我，可以把詳細的資料給到你。特別是200瓦，再往上300瓦、500瓦的EMI要求更高一些，效率提高了，EMI的問題會出來。 現場提問：你那個結構有沒有延時方面的問題? 蔡振宇：沒有延時的問題，你可以把這個看作整個產品，因為下面是低亞，跑1兆、2兆沒有問題，目前工程應用領域是沒有任何問題的，因為現在的外圍器是這樣，目前的工程應用這個完全沒有影響到開關的頻率。你現在看，很少有跑到500kHz的頻率。 現場提問：過電流的指標呢? 蔡振宇：過電流的指標跟硅基差不多。它還有一個特點是開關性能比較好，可以解決電源過程中開關頻率過高帶來的問題，這是氮化鎵本身的材料決定的。 現場提問：看到兩端，二極管那邊漏電可能有問題。 蔡振宇：這是自身的二極管，反向才會有這二極管，正向是沒有的，它就是這樣的，反向的時候那個結構看上去就是漏電流、反向電流可以從二極管跑出來，其實它還是通過我這個模式走的。 現場提問：我想看一下最后您講的那個價格方面的圖，這三條線是怎么看? 蔡振宇：紅顏色的是硅基的，藍顏色的是氮化鎵，綠顏色的是我們的比率，就是我比它貴多少，比如說這個點我是他的3倍，這個點是2倍，這邊是1.5倍。我們目標預期2017年、2018年很接近，其實現在這個已經很接近了。 現場提問：產能有沒有問題? 蔡振宇：沒有什么問題。現在在我們富士通做的晶元，基于6寸的，產能基本上一年幾千、幾萬片不成問題。如果這個賣得好可以做半導體的廠，目前完全可以滿足客戶的要求。 現場提問：影響應用的主要是兩大因素，除了價格以外，價格我們很清楚。另外一個是驅動電路的設計，你剛才也說到，你們的做法是不完全兼容，兼容一定會出問題，需要重新設計的。有一些電子廠家是跟第三方合作的，做前面的電路，你們的方案是什么? 蔡振宇：您可以關注一下TI的網站，里面有專門的設計配板，我們富士通以前沒有賣的時候就找到TI就問能不能做適合的，實際操作下來我們發現我們對芯片不是很挑，但是我們挑的是信號，就是你的信號盡可能的離我們比較近，這是目前的解決方案，就是我們對這個芯片沒有特別的要求，但是像前面的講的，頻率很高會帶來板自身參數的問題，所以我們會讓客戶沒有PCB板的問題，就看你的設計是不是特別接近我們的產品。對于EMI的設計來說，我們在美國和日本有專門的AE幫客戶解決EMI的問題。我們前面講到電源的EMI都是我們做的。今年有很多項目會量產，通過跟其他公司的合作我們也可以進一步的提升。 |
