安世半导体新一代氮化镓技术助力打造“四高”应用

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PSDC主编刘洪
 


日前,安世半导体(Nexperia)举办线上氮化镓技术平台发布会,介绍了刚刚推出的新一代650V氮化镓(GaN)技术。公司MOS业务部门大中华区总监李东岳先生表示,新器件采用新一代的H2氮化镓技术,支持传统的TO-247封装和创新的铜夹片贴片封装CCPAK,,主要面向电动汽车、5G、数据中心和伺服电机等需要高频率、高效率、高电压和高功率的四高应用。
 
低成本、高产能多元化半导体生产专家
李东岳首先介绍了公司的基本情况,安世半导体是闻泰科技的子公司,拥有60多年半导体行业专业经验,致力于为各类电子设计提供低成本、高产能的分立器件、功率MOSFET器件、GaN FET、模拟和逻辑IC,其器件满足汽车行业严格的标准 。公司拥有超过15,000种产品的广泛产品组合,年产能高达900多亿片;2019年年销售额为14.3亿美元,全球市场份额约为14.2%。公司自有2家前道、3家后道制造厂,除了自有工厂以外,我也有长期合作的晶圆和封装产商。
李东岳表示,安世半导体的产品和封装一直引领全球市场,其产品在效率(如工艺、尺寸、功率及性能)方面已经成为行业基准,拥有业内最小尺寸的封装技术,加上全球领先的生产规模和垂直化整合的高效供应链及安全生产能力,包括专业设备设计团队和自动化程度极高的后道工厂,已成为电子行业客户应对未来市场发展趋势的重要驱动力。
 
挑战显而易见,何以应对?
谈到当下与未来的挑战及其推动增长的因素,李东岳认为,节能环保及新能源汽车动力系统电气化,高功率密度、高效率是行业面临的挑战,也是创新驱动力。在汽车领域电子化程度越来越高,小型化、高能效及ESD保护是行业的挑战,但是对Nexperia来说是个机遇,因为Nexperia拥有15,000多种产品组合,能持续不断地满足全球各类电子设计所需半导体器件的生产需求,提供一站式的采购。汽车领域的应用要求包括:安全及多媒体汽车电子;汽车互联(Car2X、WLAN);电子功能不断增加,更出色的可靠性(制动系统、转向系统等);电动汽车(HEV、PHEV、BEV)。产品小型化的趋势,需要更先进的封装技术实现技术融合。电池供电设备越来越多,延长电池续航时间、快速充电、降低集成应用能量损耗及符合环保规定等都是行业的迫切需求。此外,还要考虑产品的保护,因为数据传输速率越来越高,互联设备和多媒体应用无处不在,必须提高系统芯片的抗ESD能力。
在回答记者关于氮化镓器件成本和供货的问题时,李东岳说,Nexperia由于采用的是硅基氮化镓(GaN-on-Si)成熟可靠的量产工艺技术,因为可以利用现有硅几十年的生产线、工艺流程和标准,所以生产成本要比碳化硅(SiC)低;另外硅基氮化镓的原材料硅单晶棒生长速度非常快,所以氮化镓器件有非常好的价格下降趋势,有利于其推广和应用,为更多应用节省(BOM)成本,包括处理热辐射的元器件成本。
 
氮化镓技术创新提供了更多选择
硅基氮化镓是一种第三代半导体的颠覆性工艺技术,与硅(Si)相比,氮化镓拥有很多优异物理特性,具有更宽的禁带宽度以及更高的临界击穿电场和电子饱和速率及更好的抗辐照能力,使其特别适用于电力电子系统。在相同的测试电路中,与硅器件相比,其反向恢复损耗低。
 

 
数年来,安世半导体一直投资和研发GaN技术,通过逐年的经验积累和技术了解,我们知道未来如何以最优方式运用这项技术。另外全球自有化生产基地,可以提供真正车规级AEC-Q101认证的产品。
李东岳在介绍该公司新推出的氮化镓技术平台——新一代H2氮化镓技术时表示,虽然Nexperia于2019年才进入高压宽带隙半导体市场,但公司已将H1氮化镓技术升级到新一代技术H2氮化镓技术平台。
H1是采用级联结构(cascode)的氮化镓技术,有助于工程师简化应用设计,无需复杂的驱动和控制,产品是650V 50mΩ的GAN063-650WSA,采用符合行业标准的TO-247封装。他强调,TO-247封装更容易为客户接受,可以尽快导入应用,打进市场。新一代的H2氮化镓技术,采用创新的贯穿外延层过孔,这样就减少了缺陷,提高了成品率,也使芯片尺寸缩小了24%,实现了市场领先的导通电阻。它继续使用级联结构,可以兼容行业标准的传统硅MOSFET驱动器,驱动设计非常简单,实现更高的开关稳定性,动态特性提升15%。

据介绍,采用新一代H2技术的全新高压氮化镓场效应管(GaN FET)有两种封装——TO-247和Nexperia专有的CCPAK。两者均实现了更出色的开关和导通性能,并具有更好的稳定性。由于采用了级联结构并优化了器件相关参数,这些氮化镓场效应管无需复杂的驱动和控制,应用设计大为简化;可以兼容行业标准的硅MOSFET驱动器也可以很容易地驱动。
TO-247封装的新器件GaN041-650WSB,导通电阻RDS(on)降低到仅41mΩ(最大值,25℃的典型值为35mΩ),同时具有4V的高栅级阀值电压和低反向导通电压。CCPAK封装的新器件GaN039-650NBB/NTB,将导通电阻值进一步降低到39mΩ(最大值,25℃的典型值为33mΩ)。两种封装的新器件均符合AEC-Q101标准,可满足汽车应用的要求。
那么,氮化镓技术的创新又体现在哪里呢?李东岳道出了其中奥秘。这就是新一代H2氮化镓技术采用创新的贯穿外延层过孔技术,并将20年的车规级铜夹片表面贴装技术用在氮化镓器件上。CCPAK贴片封装采用了创新的铜夹片封装技术来代替内部的封装引线,这样可以减少开关损耗,降低热阻,优化电气和热性能,并提高可靠性。CCPAK封装的氮化镓器件提供顶部或底部散热两种配置,使其更通用,并有助于进一步改善散热。采用铜夹片,寄生电感可以减小三倍,实现更低的开关损耗和电磁干扰,比引线(wire-bond)技术可靠性更高;热性能方面,低Rth(j-mb)典型值(<0.5 K/W)实现了最佳散热性能,Tj最大值达175℃;可制造性和鲁棒性都很好,灵活的引脚可提高温度循环变化的可靠性,海鸥引脚提供高板级可靠性,兼容SMD焊接和AOI(全自动光学检测)。2021年将可提供AEC-Q101认证的器件。



打造更高效率的行业应用
李东岳表示,客户需要导通电阻RDS(on)为30-40mΩ的650V新器件,以便实现经济高效的高功率转换,增加功率密度,同时减少电容、电感、散热组件的数量及体积以较低的系统成本,实现更小、更快、散热性能更优、更轻便的系统。。新一代H2氮化镓技术适用于各种行业应用,包括电动汽车的车载充电器、高压DC-DC转换器和发动机牵引逆变器;以及1.5-5kW钛金级的工业电源,如机架装配的电信设备、5G设备和数据中心相关设备。
 

 
李东岳强调,在车规级生产方面,安世半导体的全球自有化生产基地能够为市场提供真正符合车规级AEC-Q101的产品。其中GAN039产品最适合两种电动汽车应用——车载充电机(On-board charger,OBC)和直流-直流(DC-DC)转换器。车载充电机是与电气化相关的新兴市场。使用级联结构的氮化镓器件,单相输出功率高达6kW,并可实现双向输出;直流-直流转换器也是新兴市场,480V转换为12V,典型功率高达5kW。
 

 
未来目标是更大功率
李东岳最后表示,无论是为下一代新能源电动车设计的OBC、高压DC/DC、电机驱动或控制器,还是为最新5G电信网络设计的电源,安世半导体的GaN FET将是客户实现“四高”解决方案的关键。常态关断的GaN FET产品的设计和结构有助于提供高功率性能和高频开关,以确保客户可以采用低成本的行业标准栅极驱动器。未来,安世半导体将把目标瞄准牵引逆变器市场,实现更高效的功率转换和高功率密度。
第三代以氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料,目前在手机快充方面已经有批量案例,也取得了比较好的市场效益,在工程设计及客户应用端有了一定的技术积累,但是主要还集中在低功率市场,并没有完全发挥氮化镓出色的物理特性。随着未来上下游工程设计能力提升、产业应用需求驱动,氮化镓器件将在新能源汽车、高压通信、数据中心、行业基础设施、航空航天等供电系统上完全发挥其出色的物理特性,实现高效率,高性价比、高功率密度、高可靠性。
2021年,安世半导体将引入8英寸晶圆,提高未来的供应能力,并以丰富的GaN产品组合及足够的可靠性数据,更好地支持下游产业客户,为拉动产业发展贡献力量。
 
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