- Advertisement -
首頁 標籤 GaN

GaN

- Advertisment -

5G基礎建設RF前端2025年規模達25.2億美元

產業研究機構Yole Développement(Yole)發表最新研究指出,電信基礎設施的射頻前端(RF FE)市場規模在2018年達到14.7億美元,預計到2025年將達到25.2億美元。在全球扁平化的電信產業中,RF FE市場在2018年至2025年期間呈穩定成長,在此期間的年複合成長率為8%。 2020年將進入市場的5G無線通訊將成為下一個行動技術標準。隨著許多創新技術的發展,新系統的建置對射頻產業產生強烈影響,因此部署了支援特定協議和操作模式的新基礎架構,例如大規模MIMO、波束成形、波束控制、載波聚合等。 目前仍有超過75%的5G天線、射頻技術相關專利正在申請中,因此Yole認為,未來幾年還會有很多變化。三星、Intel、愛立信和華為已開始將其產品組合擴展到全球。三星和英特爾似乎是目前在限制其主要競爭對手的專利活動和經營自由方面處於最佳地位的兩個領導者。而GaN、GaAs、SiGe或RF-SOI等其他平台在不久的將來會顯著成長。 在此問題上,最有趣的動態之一是GaAs的發展。隨著主動式天線系統(Active Antenna System, AAS)可能成為主流,將需要更多數量的低功率寬頻功率放大器以及諸如波束形成器之類的新元件。起初這些元件主要採用GaAs製程,尤其是出於性能方面的考量。當市場成長到足以被視為一個利基市場,其他技術如RF-SOI或SiGe有望取代GaAs,就像在手機產業取代GaAs一樣。砷化鎵將成為主動天線模組的過渡平台。  
0

雅特生科技推出新電源轉換器模組

AE(Advanced Energy)旗下雅特生科技(Artesyn Embedded Power)宣布推出一款直流/直流電源轉換器模組。此款AGQ500系列500W電源轉換器模組主要針對氮化鎵(GaN)射頻功率放大器的各種應用。 AGQ500系列模組採標準1/4磚大小封裝,效率達95%以上,輸入電壓範圍廣,為36V至75V。額定輸出為50V的新型號AGQ500-48S50支援普遍採氮化鎵(GaN)技術的大功率無線基地台各種設備,可輸出達10A的電流。 系列模組採用鋁基板架構,因此散熱功能良好,可在攝氏-40度至+85度間環境溫度範圍內正常作業;即使底板溫度達攝氏100度也能繼續以全功率正常作業,在溫度範圍內作業無須利用對流空氣散熱。 該公司先推出AGQ500系列直流/直流電源轉換器模組的50V額定輸出版本,特色為調壓範圍較廣,為25V至57V。此系列模組其他優點包括遠端控制、遠端輸出補償,且微調功能可提供多重保護,如輸入欠壓鎖定、輸出過流保護、輸出過壓保護以及過熱保護。 產品由於無最低負載規定,效能更穩定。根據Telcordia SR-332-2006的測試數字推算,平均無故障時間(MTBF)可達150萬小時。
0

滿足寬能隙元件測試 量測設備首重高電壓/電流

寬能隙功率半導體(SiC,GaN)具備更高的操作溫度、高運行電壓、高運作頻率和低功率損耗。採用寬能隙功率元件,能夠使得導通時及切換時的耗損能量降低,讓整體運作功率大幅下降,同時明顯降低設備的體積、重量及價格。為此,寬能隙解決方案備受電源供應業者青睞,且已逐步進入量產階段,終端產品亦已開始銷售。 然而,寬能隙材料的功率元件,最引人矚目的優勢是建立在高頻與高電壓操作上,在終端產品相繼於市場亮相的同時,也意味著寬能隙元件的測試需求隨之增加,為此,量測儀器業者紛紛推出高效、便利的解決方案,不僅滿足高電壓、高電流測試需求,並進一步縮短產品開發時程。 滿足高電壓/電流測試儀器/探棒雙升級 太克科技(Tektronix)應用工程師陳思豪(圖1)表示,在相關的技術瓶頸逐漸被克服後,寬能隙解決方案相繼出現,像是採用GaN的變壓器、充電器等;相關產品陸續問世,也代表著寬能隙方案的量測需求也跟著增加。 圖1 太克科技應用工程師陳思豪表示,高電壓和高電流為測量寬能隙元件首先碰到的挑戰。 陳思豪指出,寬能隙元件的測量,首先碰到的挑戰便是高電壓和高電流。因為寬能隙材料耐崩潰程度高,而採用寬能隙材料打造而成的產品能承受高電壓、高電流,而為量測這項特性,測試儀器的耐受電壓/電流也須跟著提升,例如以往最高承受度是1,000V,現在可能要到2,000~3,000V。 為此,太克備有Keithley 2657A,該產品專門針對高壓電子、功率半導體元件的特徵分析與測試而設計,例如二極體、FET/IGBT、直流-直流轉換器、電池、太陽能電池、高功率材料、元件、模組等,以及其它一些需要高電壓、快速響應和精確測量電壓和電流的元件和材料等。 至於Keithley 2651A,則是專門因應高電流測試,該產品最高可達2,000W的脈衝功率(±40V、±50A),或最高可達200W的直流功率(例如±10V@±20A、±20V@±10A、±40V@±5A);可輕鬆地連接兩個單元(串列或並列方式)來建立最高可達±100A或±80V的解決方案。 另一方面,要量測寬能隙解決方案,除了儀器須符合高電壓、高電流的規格外,週邊設備如治具、探棒等性能也必須跟著提升。 以探棒為例,太克科技業務經理吳道屏(圖2)說明,寬能隙方案於量測時有許多和以往功率元件不同的地方,例如寬能隙方案的Miller Charge Qg更低,可實現快速切換速度,且所需的寄生電容、電阻和電感大大減少;因此,在量測的時候需要能夠測量極快的dv/dt、di/dt和高頻,並且減少負載、電感和電容。或是需要嚴格調節Vgs和Vth電壓,因此需要能夠準確測量高端和低端電路中所有柵極節點上的Vgs等。 圖2 太克科技業務經理吳道屏指出,不僅量測儀器須符合寬能隙元件的特性,連探棒性能/規格也須跟著提升。 吳道屏指出,這些特性以及量測需求除了使量測儀器的規格、性能改變之外,連帶推動探棒性能也跟著增加,傳統探棒由於不是為了量測寬能隙方案而設計,因此會有共模抑制(CMRR)不高、電容、電感不符,或是以及頻寬不足等問題(過往探棒頻寬多為100~200MHz,而要滿足寬能隙方案測試探棒頻寬最好達800MHz~1GHz)。 基於此一原因,太克也研發因應寬能係元件量測的碳棒「IsoVu」。該產品的特點在於為使用包括GaN和SiC技術的電源裝置設計人員提供更強的共模抑制比,讓使用者首次可查看先前隱藏在共模雜訊中的訊號。另外,該產品可以在高達100MHz的環境中提供100萬:1(120dB)的共模抑制,而在1GHz的環境中提供10000:1(80dB)的CMRR。若使用IsoVu,工程師可以在存在大型共模電壓(範圍為直流至1GHz)的情況下,準確地量測微小的差動訊號(5mV~50V)。 吳道屏表示,簡單來說,IsoVu和其他商用探棒不同,其採用電光感應器將輸入訊號轉換至光學調變,從而將待測裝置與示波器進行電器隔離;且整合了四個獨立的雷射、一個光學感應器、五條光纖和複雜的回饋和控制技術,具有電隔離的IsoVu架構在其頻率範圍可提供>2,000V峰值的共模耐壓。 當然,除了高電壓、高電流之外,寬能係元件還有其他量測重點,像是動態電阻測試。陳思豪說明,高電流、高電壓是屬於I-V特性的靜態量測,然而,要真正看出寬能隙元件的特性,另一個不能缺少的便是動態電阻測試。 陳思豪指出,動態電阻測試的目的在於,當元件瞬間遭遇大電壓時,會出現電流變小的情況,雖說這只是暫時性(約幾秒鐘),卻也會對產品產生影響;動態電阻測遂成為寬能隙元件測試的重要項目之一。 一站式方案+模擬軟體降低測試難度 是德科技(Keysight)行銷處資深專案經理郭丁豪(圖3)表示,傳統IC(邏輯IC)的要求都是低功率,因此在量測的重點多是與省電相關,像是低電流、低功耗等。但寬能隙元件的用途與傳統IC截然不同,多用於高功率的應用,因此其所需的電壓、電流是完全不同等級的,有可能是數百安培、數百/數千伏特,因此量測儀器的規格和效能也須跟著改變。 圖3 是德科技行銷處資深專案經理郭丁豪說明,寬能隙元件多用於高功率應用,因此所需的電壓、電流是和傳統IC截然不同。 是德科技應用工程部專案經理蕭舜謙(圖4)也透露,除了電壓、電流的不同之外,寬能隙元件的另一特點便是高切換速率。當切換速率越來越快,損耗越來越低,同時又要滿足大電壓、大電流,此時就必須添加動態參數量測,也就是所謂的Double Pulse Test(DPT),檢測寬能隙功率元件的切換時間、延遲等。換句話說,針對SiC、GaN這類寬能隙元件進行特性分析的時後,靜態與動態的量測都必須執行。 圖4 是德科技應用工程部專案經理蕭舜謙透露,寬能隙元件的另一特點是高切換速率,因此動態參數也是量測重點。 為此,是德科技備有一站式的量測解決方案「PD1000A」,該方案包含B1505A和B1506A功率元件分析儀可提供必要的靜態量測;而關鍵的動態參數,則是可透過「PD1500A」動態功率元件分析儀進行量測。 該產品具備雙脈衝測試功能,提供可靠、可重複的寬能隙半導體量測方式,能縮短設計時間並且減少所需的原型數量,進而降低成本並加快上市速度;並確保測試環境安全,記錄、支援並維護現成的測試解決方案,且可在一個或多個站點上維護多個測試解決方案。同時,針對著重耐用性的量測,該產品還可迅速因應其可靠性考量(例如短路和崩瀉),簡化測試程序並加以自動化。 蕭舜謙指出,由於高功率元件、產品或應用(如電廠、汽車),都牽涉到高電壓、高電流,一旦出現問題,都容易對人身安全造成相當大的危害,因此在設計的過程中一定是要經過反覆的驗證。寬能隙功率元件設計的過程中,除了須有相對應的硬體設備進行量測外,模擬軟體也扮演相當重要的角色。 蕭舜謙進一步說明,過往的設計流程通常是先做出一個「理想模型」,接著再進行電路模擬、量測,發現不符合的地方再逐一修改,最後可能要經過好幾個版本的調整後才能夠製作出完善的產品,而這樣的方式相當耗費時間和成本。因此,透過模擬軟體可改善此一困境,實現有效的優化電路設計,且節省開發時間及成本。 為此,是德科技也備有積體電路特性化及分析程式(IC-CAP)元件建模軟體。該軟體能夠萃取用於高速/數位、類比和功率射頻電路設計應用的精確且簡易的模型,對矽晶CMOS、Bipolar、化合物砷化鎵(GaAs)、GaN和許多其他元件技術進行建模。 IC-CAP優勢還包括:開放軟體架構確保最佳的準確度,並提供最大靈活性,能建立和自動執行量測、萃取和驗證程序;適用於BSIM3/BSIM4、PSP和HiSIM等產業標準CMOS模型的統包式萃取解決方案,可顯著縮短學習過程,提高模型準確度;還可直接連接商業模擬器,確保萃取的模型與電路設計工程師所使用的模擬器之間的一致性。 郭丁豪指出,簡而言之,寬能隙元件和以往邏輯IC量測重點可說是大不相同,而該公司推出一站式(Turnkey)解決方案(PD1000A),再加上模擬軟體,除了滿足目前市場的量測需求外,最主要的目的是縮短元件商/OEM業者的產品測試時程、減少複雜度,進一步加快產品上市時程。 滿足高電壓/電流後 可靠度是下個測試挑戰 羅德史瓦茲(R&S)Regional Engineering Support & Training Manager Nick Tang(圖5)則說明,基本上,寬能隙方案的量測,主要是需要滿足高頻量測和高電壓容差兩個要求,特別是高度的共模要求。然而對於生產而言,其要求是如何複製和減少這些寬能隙產品上的一些典型測試項目,而最急迫的考量仍然是產量比率,而現階段的重點在於量測方法,以確保更高的產量。 圖5 羅德史瓦茲Nick Tang指出,要量測寬能隙元件,就示波器而言,關鍵仍在於要承受高電壓和快速切換的探測需求。 至於在量測儀器方面,就示波器而言,關鍵仍在於要承受高電壓和快速切換的探測需求。這些通常需要更高的電氣類別等級,也就是需要更好的絕緣性能以保護使用者和設備。通常在這樣的等級下,頻寬效能是有限的。透過更好的導通電阻,將這些元件特性化的典型量測也需要更好的靈敏度。另一個關鍵問題是電磁干擾(EMI)雜訊,快速的邊緣速率和高電壓轉換將會更高並且可以耦合到量測設備中。 至於軟體要求方面,目前仍處於起步階段。當生產增加時,自動化測試系統的開發需求將隨之增加,因此也需要針對這些設備開發測試案例。另一項重大發展則是電源控制器,其運作頻率也將會提升。然而,這些方法長期以來一直運用在高速IC中,關鍵領域是開關控制、功率因數校正,以及有些可能需要在硬體拓撲(Hardware Topology)和軟體中進行的熱能控制。 另一方面,陳思豪表示,要成功將寬能隙元件商業化,除了電壓、電流和動態電阻等要素外,可靠度也是其中一項測試關鍵。目前雖說有JEDEC規範,但每家廠商對於產品的要求都不同,因此也會衍生每間公司對於產品有著不同的驗證手法和需求。所以,寬能隙方案目前在可靠度測試方面,都是曠日廢時,需要花上一段時間。為改善此一情形,目前已有學界單位研發出Step Stress的量測方式,並已獲得電源供應元件業者採用。 Nick Tang則說,從過往經驗來看,標準規範並沒有定義功率規格。絕大多數的測試案例是根據不同供應商的要求所開發出來的。這點仍然是業界常態,不同的產品主要在於適用不同的應用環境。因此,標準化的測試案例不太可能獲得廣泛採用。以JEDEC來說,因為沒有商標或標準測試機構來驗證產品,其規範可作為基本需求的參考。大多數的供應商仍會採用這些新技術並修改他們目前的測試方法,但不太可能對該解決方案進行大幅度修改。
0

貿澤供貨TI LMG1210 MOSFET/GaN FET驅動器

貿澤電子宣布開始供應德州儀器(TI)旗下LMG1210 200 V半橋MOSFET和GaN FET驅動器。LMG1210是TI領先業界的氮化鎵(GaN)功率產品組合系列的其中一項產品,相較於傳統的矽基選擇,本系列效率更佳,功率密度更高,整體系統尺寸也更小,並特別針對重視速度的功率轉換應用最佳化。 貿澤電子所供應的TI LMG1210是一款50MHz的半橋驅動器,其經過特別設計,能與最高200V的強化模式GaN FET搭配使用。LMG1210的設計能發揮最高效能,實現高效率運作,並具備10ns的超短傳播延遲,優於傳統的矽半橋驅動器。本裝置擁有1 pF的極低切換節點電容,並提供使用者可調整的死區時間控制,可讓設計人員最佳化系統內的死區時間,進而改善效率。 LMG1210提供3.4ns的高側對低側延遲匹配、4ns最小脈衝寬度,同時內建LDO,確保在任何供應電壓下都能維持5V的閘極驅動器電壓。本驅動器亦具備300V/ns以上的共模瞬態抗擾度(CMTI),為業界最高規格之一,實現更高的系統抗雜訊抗擾度。 TI的LMG1210驅動器適合各種應用,包括高速DC/DC轉換器、馬達控制、Class-D音訊放大器、Class-E無線充電、RF封包追蹤,以及其他的電源轉換應用。
0

滿足寬能隙半導體量測 儀器/探棒雙雙升級

寬能隙功率半導體(SiC,GaN)具備更高的操作溫度、高運行電壓、高運作頻率和低功率損耗。採用寬能隙功率元件,能夠使得導通時及切換時的耗損能量降低,讓整體運作功率大幅降低,同時大幅降低設備的體積、重量及價格。為此,寬能隙解決方案備受電源供應業者青睞,且已逐步進入量產階段,終端產品亦已開始銷售。 然而,寬能隙材料的功率元件,最引人矚目的優勢是建立在高頻與高電壓操作上,在終端產品相繼於市場亮相的同時,也意味著寬能隙元件的測試需求隨之增加,為此,量測儀器業者紛紛推出高效、便利的解決方案,不僅滿足高電壓、高電流測試需求,並進一步縮短產品開發時程。 太克科技(Tektronix)應用工程師陳思豪表示,在相關的技術瓶頸逐漸被克服後,寬能隙解決方案相繼出現,像是採用GaN的變壓器、充電器等;相關產品陸續問世,也代表著寬能隙方案的量測需求也跟著增加。 太克科技應用工程師陳思豪。 陳思豪指出,寬能隙元件的測量,首先碰到的挑戰便是高電壓和高電流。因為寬能隙材料耐崩潰程度高,而採用寬能隙材料打造而成的產品能承受高電壓、高電流,而為量測這項特性,測試儀器的耐受電壓/電流也須跟著提升,例如以往最高承受度是1,000V,現在可能要到2,000~3,000V。 為此,太克備有Keithley 2657A,專門針對高壓電子、功率半導體元件的特徵分析與測試而設計,例如二極體、FET/IGBT、直流-直流轉換器、電池、太陽能電池、高功率材料、元件、模組等,以及其它一些需要高電壓、快速響應和精確測量電壓和電流的元件和材料等。至於Keithley 2651A,則是專門因應高電流測試,該產品最高可達2,000W的脈衝功率(±40V、±50A),或最高可達200W的直流功率(±10V@±20A、±20V@±10A、±40V@±5A);可輕鬆地連接兩個單元(串列或並列方式)來建立最高可達±100A或±80V的解決方案。 另一方面,要量測寬能隙解決方案,除了儀器須符合高電壓、高電流的規格外,週邊設備如治具、探棒等性能也須跟著提升。以探棒為例,太克科技業務經理吳道屏說明,寬能隙方案於量測時有許多和以往功率元件不同的地方,例如寬能隙方案的Miller Charge Qg更低,可實現快速切換速度,且所需的寄生電容、電阻和電感大大減少;因此,在量測時需要能夠測量極快的dv/dt、di/dt和高頻,並減少負載、電感和電容。或是需要嚴格調節Vgs和Vth電壓,因此需要能夠準確測量高端和低端電路中所有柵極節點上的Vgs等。 太克科技業務經理吳道屏。 吳道屏指出,這些特性以及量測需求除了使量測儀器的規格、性能改變之外,連帶推動探棒性能也跟著增加,傳統探棒由於不是為了量測寬能隙方案而設計,因此會有共模抑制(CMRR)不高、電容、電感不符,或是以及頻寬不足等問題(過往探棒頻寬多為100~200M,而要滿足寬能隙方案測試探棒頻寬最好達800m~1G)。 基於此一原因,太克也研發因應寬能係元件量測的碳棒「IsoVu」。該產品的特點在於為使用包括GaN和SiC技術的電源裝置設計人員提供更強的共模抑制比,讓使用者首次可查看先前隱藏在共模雜訊中的訊號;可在高達100MHz的環境中提供100萬:1(120dB)的共模抑制,而在1GHz的環境中提供10000:1 (80dB)的CMRR。若使用IsoVu,工程師可以在存在大型共模電壓(範圍為直流至1 GHz)的情況下,準確地量測微小的差動訊號(5mV~50V)。 吳道屏表示,簡單來說,IsoVu和其他商用探棒不同,其採用電光感應器將輸入訊號轉換至光學調變,從而將待測裝置與示波器進行電器隔離;且整合了四個獨立的雷射、一個光學感應器、五條光纖和複雜的回饋和控制技術,具有電隔離的IsoVu架構在其頻率範圍可提供>2,000V峰值的共模耐壓。
0

電源供應市場帶頭衝 GaN功率IC商機超展開

氮化鎵(GaN)功率半導體可望大發利市。5G、AIoT時代來臨,許多創新技術應用如自駕車、電動車、無線充電、擴增實境(AR)、工業智動化、無人機,甚至5G基地台,對於能源效率的要求將顯著增加。可較現今矽(Si)功率元件實現更高轉換效率的GaN技術,遂成為各界關注焦點,並吸引許多半導體業者爭相投入布局。 根據市場研究機構Yole Développement指出,與矽功率半導體328億美元的產值相比,GaN功率市場規模仍相當小,但該技術已開始滲透至各種應用領域,其中,又以電源供應為主要應用,如手機的快速充電器。 據了解,Anker可以說是目前市場上導入GaN功率技術最積極的行動週邊裝置製造商,其行動充電器PowerPort Atom PD第一代至第三代,以及PowerPort系列部分產品,和另一個PowerCore Fusion產品,都已開始導入GaN技術。另外,Aukey、RavPower、Mu One等廠商也有採用。 行動週邊裝置品牌廠Anker自2018下半年起,已開始導入GaN功率元件,打造兼具輕巧、高功率密度的充電器。(圖片來源:Anker) 除了行動充電器外,自駕車光達(LiDAR)、資料中心伺服器、電動車,以及無線充電,亦是GaN功率半導體極具成長性的應用。Yole認為,GaN功率半導體能帶來更高的節能效益,因此相關技術研發能量不斷增加,商用產品也開始問世,整體GaN功率元件市場規模自2016年起已逐步放量;若情況樂觀,預估2017~2023年的複合成長率(CAGR)可高達93%,達到4.23億美元規模。 Yole Développement預估,在最佳狀況下,2017~2023年GaN功率半導體市場將可達到93%的年複合成長率。(資料來源:Yole Développement) 大廠加入量產行列 GaN發展更入佳境 2018年6月,功率半導體大廠英飛凌(Infineon)正式宣布於年底開始量產CoolGaN 400 V及600 V e-mode高電子遷移率電晶體(HEMT),為GaN功率技術的發展打了一劑強心針。 Yole技術與市場分析師Ezgi Dogmus認為,這家電源解決方案的領導廠商開始量產GaN的宣布,對GaN功率元件市場來說是一個重要的象徵。目前英飛凌已經擁有許多客戶在使用他們的矽解決方案,而未來這些客戶都有機會能轉移到GaN技術。 英飛凌高電壓轉換部門資深協理Steffen Metzger表示,GaN市場已經獲得強大動能,在特定應用中採用此項技術帶來大幅優勢。從降低營運支出及資本支出,提升功率密度實現更精巧輕盈的設計,乃至於減少整體系統成本,產生的效益相當具有說服力。英飛凌深信,GaN是電源管理的下一個明日之星。該公司已經做好所有準備,以達成在GaN電源方面成為客戶首選的目標。 就在英飛凌發布GaN量產消息後沒多久,意法半導體(ST)也宣布要由原本碳化矽(SiC)的發展,擴大延伸到GaN技術領域,將和法國技術研究機構CEA-Leti合作研發GaN-on-si技術,利用Leti的8吋研發產線進行二極體和電晶體開發。雙方預期在2019年完成驗證工程樣品。同時,意法半導體也預計2020年將在該公司位於法國圖爾市的前段晶圓廠中,建造完全符合規範的生產線(包含GaN-on-Si異質磊晶製程),以做為初期生產之用。 除了整合元件製造商(IDM)發展力道愈來愈強,這些年來聚焦GaN功率元件開發的新創公司也不斷冒出,前面提及的EPC、Transphorm、GaN Systems是相對較早成立的,其他還有Tagore、Exagan、Navitas、VisIC、Dialog Semiconductor、GaNPower International、NEXGEN Power Systems等。 這些新創大都是無晶圓廠(Fabless)的公司,選擇以委外給晶圓廠生產的商業模式,多半使用台積電、漢磊(Episil)或X-Fab做為他們主要選擇。未來,一旦市場規模擴大,晶圓代工的商業模式將讓這些無晶圓廠新創公司有望快速成長茁壯。 顯而易見,現今的GaN功率元件市場可說是老將新秀同台較勁、競相逐鹿,使得整體市場戰火正快速升溫,為了端出更具競爭力的產品方案,許多廠商已積極投入整合型方案研發。 目前市場上的整合型GaN功率元件可概分為兩種,一種是封裝層級的整合,將GaN電晶體與驅動器整合成單一封裝,多半針對650V以上的應用;另一種是在裸晶層級上整合GaN電晶體與驅動器,也就是達到所謂的單體式整合(Monolithically Integrated),此類產品供應商以EPC和Navitas為代表,多半針對600V以下的消費性應用。 由於消費性應用如行動裝置充電器,需求規模龐大,對GaN業者而言,是滋養茁壯的重要養分,因此為了迎合市場輕巧外觀的設計要求,走向高整合設計方案將勢在必行。 imec製程技術助攻 GaN加速實現單體整合 有鑑於市場對更高整合度GaN功率元件的發展需求,奈米電子和數位科技研究與創新中心imec,利用其GaN-on-SOI和GaN-on-QST技術平台,發布一款與驅動器單體整合且功能完整的GaN半橋IC。 半橋是一種在電力系統中常見的次電路,是由離散元件所組成,特別是用在較高電壓範圍的應用。要利用GaN-on-Si技術在晶片上實現半橋電路,極具挑戰,特別是高電壓的設計,這是因為基於GaN-on-Si技術所設計的半橋電路,會產生「後閘效應(Back-gating Effect)」,進而對半橋電路的高側端開關(High-side Switch)造成負面影響,而切換雜訊也會對控制電路造成干擾,抑制整體效能表現。 imec解決方案是建立在imec的GaN-on-SOI和GaN-on-QST技術平台,透過埋入式氧化物(Buried Oxide)和氧化物填充的深溝槽隔離設計,讓功率元件、驅動器和控制邏輯能夠達到電氣隔離。這種隔離機制能減少有害的後閘效應對半橋高側端開關的負面影響,更能減少切換雜訊對控制電路的干擾。 此外,imec的技術平台也藉由整合電位轉換器(Level Shifter)(用來驅動高側開關)、停滯時間控制器(Dead-time...
0

GaN射頻元件2024年產業規模突破200億美元

近年來,由於氮化鎵(GaN)在高頻下的較高功率輸出和較小的占位面積,GaN已被RF工業大量採用。根據兩個主要應用:電信基礎設施和國防,推動整個氮化鎵射頻市場預計到2024年成長至20億美元,產業研究機構Yole Développement(Yole)的研究報告指出,過去十年,全球電信基礎設施投資保持穩定,在該市場中,更高頻率的趨勢為5G網路中頻率低於6GHz的PA中的RF GaN提供了一個最佳發展的動力。 自從20年前第一批商用產品出現以來,GaN已成為射頻功率應用中LDMOS和GaAs的重要競爭對手,並以更低的成本不斷提高性能和可靠性。第一個GaN-on-SiC和GaN-on-Si元件幾乎同時出現,但GaN-on-SiC在技術上已經變得更加成熟。GaN-on-SiC目前主導GaN射頻市場,已滲透到4G LTE無線基礎設施市場,預計將部署在5G 6GHz以下的RRH架構中。然而,與此同時,在經濟高效的LDMOS技術方面也取得了顯著進展,這可能會挑戰5G sub-6Ghz主動式天線和大規模MIMO部署中的GaN解決方案。 GaN射頻元件市場整體規模再2018年約6.45億美元,無線通訊應用約3.04億美元、軍事約2.7億美元,航太應用3700萬美元為三大主要應用,2024年整體市場將成長至200.13億美元,年複合成長率達21%,無線通訊應用規模達7.52億美元,軍事應用為9.77億美元,值得注意的是RF Energy將從200萬美元成長至1.04億美元。  
0

尺寸微縮/高效率優勢突顯 GaN成功率放大器首要選擇

儘管GaN與GaAs的競爭趨於白熱化,但GaN仍在SWaP-C需求(尺寸、重量、功率、成本)日漸嚴苛的局面下持續勝出,在寬頻和窄頻應用的全頻譜範圍內都是如此。 隨著功率與頻率不斷提高,GaN明顯從眾多競爭技術當中脫穎而出。以X頻段為基準,通訊晶片業者的目標是在輸出功率、增益、功率增進效率上實現卓越效能,同時運用其專為商業、軍事用途雷達和通訊系統、電子作戰等應用所設計的功率放大器產品組合,將產品尺寸縮到最小。圖1顯示這些應用支援的功率等級範圍。 圖1 支援的功率等級 GaN提升設計彈性和效益 GaAs在X頻段功率的基準測試達到25W,具備多級增益和30%左右的功率增進效率,較低功率的選項則可達到40%的效率。達到此效能的條件為改採高電壓pHEMT技術,在最高15V的汲極電壓下作業。這項技術關聯的功率密度略高於1W/mm。雖然優於標準的0.25μm pHEMT技術,卻未如預期帶動系統設計的改變。 但GaN的確帶來了變化和更多選項,讓系統設計人員能靈活達到新一代的效能、縮小外型尺寸,或同時實現這些優點。這項技術一開始將重點放在縮小外型尺寸,同時維持或提高功率效能。但在X頻段市場轉移至GaN後,使用者開始注意到它的效率並未優於先前的GaAs解決方案。雖然這並非GaN技術的缺點,而是產品本身的開發重點所導致。若以高功率和最小尺寸為目標,勢必無法達到最佳效率。表1比較使用GaAs和GaN的基準X頻段功率放大器。 如表1所示,在特定的功率等級下,PAE大致上不變,GaN稍微勝出。不過,選用GaN的解決方案尺寸縮小大約70%。能縮小如此高比例的尺寸,是因GaN擁有更高的功率密度,加上更好的熱管理能力。因為GaN在接面(Tj)溫度提高時,具有較佳的可靠度。GaAs在1E6 MTTF下的Tj基準測試為150℃,GaN的溫度結果則延伸到200℃。這能為系統設計帶來更多彈性和成本效益,是舊型GaAs解決方案無法達到的水準。 GaN有效縮小晶片面積 另一項市場趨勢則是改變高功率放大器的封裝,從大尺寸凸緣式封裝轉為表面黏著技術(SMT)。對大尺寸的GaAs放大器來說,這項轉型的難度更高。晶片尺寸變大,會導致熱膨脹係數(CTE)不匹配敏感度、出現孔洞及其他機械耐用度等問題,從而提高品質風險。使用GaN則能縮小晶片面積,進而改用尺寸較小的SMT封裝,因此更能支援高功率。但是,將更高的功率密度納入更小的尺寸中,會大幅提高散熱系統所需管理的熱通量,連帶影響系統層級的熱管理效能。 因此,在X頻段效率大致不變的情況下,為了實現目標效能,系統層級的熱設計變得越來越重要。在不同的程度上,氣冷和水冷系統搭配各種專有技術,都能有效達到上述效果。更加瞭解系統設計的限制後,還必須調整元件開發的重心,才能滿足系統需求。 降低汲極電壓,或調整放大器設計的效率負載目標,都可以逐漸改善PAE。不幸的是,這會減損功率密度的效益,有違GaN的開發宗旨。依此方向發展,終將提高晶片尺寸,並進而減弱GaN所帶來的優勢。降低汲極電壓,也可能因I2R耗損提高而使系統效率下降,但這卻可能是最好的妥協方案。 藉由降低汲極電壓,放大器設計人員可以設定更高的效率負載目標。為了滿足目標的功率等級,將需要更多FET周緣,因而加大晶片尺寸。加大晶片尺寸以達到特定功率等級,將可減少散熱系統需要管理的熱通量,但缺點是會增加元件尺寸和成本。為了更有效管理系統熱負載並達成預期的射頻效能,顯然放大器開發人員需要在輸出功率、PAE和外型尺寸間找出適當平衡。牽涉到的設計因素則因應用的頻率及頻寬,以及目標輸出功率而有所不同。 不只是X頻段的問題,當系統開發人員更深入瞭解其設計限制時,為了在整個頻譜內達成系統效能與成本目標,元件效率對於功率和增益規格也即將變得同等重要。事實證明,高效率的GaN解決方案可為整個系統帶來顯著的成本效益。除了縮小系統設計,也能降低散熱系統的複雜度,這一點有利於熱管理選項有限的應用,例如航空系統。 GaN逐漸成為整個頻率範圍和各市場最佳技術選擇。最初GaN產品開發重點在提高輸出功率和縮小外型尺寸。但隨著出現系統層級的熱限制後,重心轉移到改善效率平衡,這有助整個系統降低功耗和減輕熱負載。在GaN引領下,新一代的系統逐漸實現。 (本文作者任職於Qorvo)
0

推升大功率電源轉換器能效 新GaN功率開關鋒芒畢露

能源的議題是一直以來被討論的話題,在現今節能減碳的需求下,提高轉換效率是新電源轉換器努力的方向。以往所使用的矽功率開關元件;在以矽為材料所開發的金屬氧化物半導體場效應電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET),其發展已接近物理極限,期待以矽材料的功率晶體來進行電源轉換器的效率改善效果有限,而寬能隙材料所開發的新型功率晶體,如氮化鎵(GaN)高速電子遷移率場效電晶體(High Electron Mobility Transistor, HEMT)可以讓電源轉換器達到更高的效率及更高功率密度。 對矽功率開關元件而言,設計人員對其應用和驅動已經相當熟悉,但對於GaN HEMT的應用和驅動方式的資訊相對比較少,本文針對GaN HEMT的應用和驅動方式作介紹,提供設計人員在使用GaN HEMT上的參考。 氮化鎵功率元件應用要點 如圖1所示,粗略將幾種材料如矽、碳化矽及氮化鎵等功率開關的適用範圍依功率及切換頻率進行劃分,矽功率開關涵蓋目前大部分的應用,適用於切換頻率在500kHz以下的中小功率應用或低頻的大功率應用;大功率的應用且操作於略高的切換頻率的電源轉換系統會選擇SiC MOSFET;而中低功率需要更高切換頻率如200kHz以上,GaN HEMT會是合適的功率開關元件,目前適合GaN HEMT的應用條件在10kW以下,高於250kHz以上的切換頻率,但實際應用還是以設計者的需求為主,可以選擇GaN HEMT取代MOSFET以相同的切換頻率達到較高的效率,或增加切換頻率來達到較高的功率密度需求。 圖1 不同材料功率晶體開關的應用範圍 目前GaN HEMT的應用領域在電信和資料中心使用的伺服器電源是主要目標市場,採用超高效率電源可以降低能源成本而產生回報。於伺服器電源的電路中,目前發展相對成熟的電路之一為無橋式PFC,採用無橋式PFC可以改善傳統升壓型PFC的效率,現在更可以透過GaN HEMT的特性搭配圖騰柱(Totem Pole)PFC電路來進一步提升效率。 一般電源轉換器的功率因數校正(PFC)線路採用升壓型轉換器架構,如圖2所示。輸入電壓範圍從AC 85V~265V,超過三倍的電壓變化,因此電流也是超過三倍的變化,在相同負載條件下,導通損失有十倍的差異,在這麼大的變化下,要最佳化MOSFET和Diode是一個挑戰。操作頻率一般是低於70kHz,使得兩倍頻限制在低於150kHz,因為頻率的增加會增加切換損失且主頻會落入EMI的測試範圍內,控制模式採用連續傳導模式(CCM)可以減少漣波電流、導通損耗和切換損耗。操作在不連續導通模式(DCM)或是邊界模式(CRM)會有較高的漣波電流,但可以達到ZCS導通,因此可以降低切換損失,無論採用哪一種控制模式,橋式整流器占了一定比例的損耗,約占全機1~2%的效率損失,即使PFC開關採用理想的零切換損耗技術也無法彌補橋式整流器的損耗。 圖2 標準升壓型轉換器架構 PFC電路開關降低損耗 將PFC電路中進行功率損耗分析如圖3所示,可以明顯發現橋式整流器所占的功率損耗最大,其中在輸入電壓為85Vac時占總功率損耗的34%,而在輸入電壓為230Vac時占總功率損耗的37%。正因如此,許多無橋式線路被採用在電源轉換器上來改善效率,但整體線路卻變得複雜許多。另一種降低橋式整流器損耗的選擇是採用主動式橋式整流器(Active Bridge),將較低導通電阻RDS(on)的MOSFET並聯在原有的橋式二極體上,利用Irsm2 X RDS(on)降低原本的Iavg X Vf損耗,保留原本的橋式整流器是需要其協助旁路衝擊電流,避免在異常操作時損壞並聯在橋式整流器上的MOSFET。 圖3 升壓型PFC功率損耗分析 在眾多無橋式PFC的電路架構中,Totem...
0

各路人馬鴨子划水 化合物半導體前景可期

化合物半導體泛指各種不以矽為基礎的半導體材料,通常可分成三五族半導體與二六族半導體。三五族化合物是由三族的鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)及五族的氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)等等組成。由於是化合物,所以組成方式非常多種,有二元的氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP);三元的銦鎵砷(InGaAs)、磷化銦鎵(InGaP);甚至四元的InAlGaAs或InGaAsP等。二六族半導體則是由二族的元素鋅(Zn)、鎘(Cd)、汞(Hg)和六族元素硫(S)、硒(Se)、碲(Te)形成的化合物,是一些重要的光電材料。 在蘋果(Apple)於智慧型手機上導入結構光人臉辨識,引爆VCSEL應用話題,加上氮化鎵逐漸打開電源管理這個市場規模龐大的應用之後,化合物半導體開始受到更多探討,同時也吸引其他領域的業者開始介入布局。 電源管理應用帶動晶圓尺寸成長 聯穎光電技術長暨SEMI Taiwan化合物半導體委員會副主席林嘉孚(圖1)指出,氮化鎵材料開始切入電源管理應用,是改變化合物半導體製造產業風貌的一個重大事件。電源管理是一個非常龐大的市場,幾乎所有電子設備都需要電源管理。 圖1 聯穎光電技術長暨SEMI Taiwan化合物半導體委員會副主席林嘉孚表示,氮化鎵化合物半導體磊晶尺寸朝8吋發展,是大勢所趨。 因此隨著使用矽基氮化鎵(GaN on Si)的電源場效電晶體(Power FET)不斷發展,能耐受的電壓越來越高(目前600~700V的元件已有商用潛力,實驗室裡則已可做到1,000V),未來矽基氮化鎵應用只會越來越普及。 而隨著應用市場越來越廣闊,氮化鎵磊晶(Epitaxy)晶圓尺寸一定會逐漸從目前主流的6吋往8吋發展,這樣才能驅動成本下降,滿足市場需求。而此趨勢也會吸引更多半導體設備大廠開始布局相關設備。目前磊晶製程所使用的有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)機台,最大供應商是德國Aixtron,但全球半導體設備龍頭應用材料(Applied Materials)也已經對這個市場展現高度興趣。 對化合物半導體業者來說,更多設備大廠投入是件好事,因為以往化合物半導體設備業就跟化合物半導體產業鏈的其他環節一樣,都呈現小而美的格局,大廠有更多資源可以開發更先進的磊晶設備,會讓磊晶廠有能力發展出更先進的磊晶製程技術。機台設備的能力跟磊晶技術的進展,是相輔相成的。 矽基氮化鎵進軍射頻 劍指5G基地台 除了應用在功率元件之外,GaN on Si還可以應用在射頻(RF)通訊上,目前相關技術進展最快的業者,就屬事業布局橫跨光通訊與RF兩端的MACOM。近日MACOM才與意法半導體(ST)達成合作協議,2019年ST工廠的6吋(150mm)矽基氮化鎵的產能將有擴張計畫,而8吋(200mm)的矽基氮化鎵則會依需求擴產,以支援全球5G電信網路建設。 隨著全球推出5G網路並轉向大規模MIMO(M-MIMO)天線配置,射頻功率產品需求預計將會大幅提升。具體來說,MACOM預估功率放大器需求量將會有32倍至64倍的成長,相對地,5G基礎建設的投資在5年內將預計成長超過3倍,因此放大器成本的單價估計會降至十分之一至二十分之一。 MACOM總裁暨執行長John Croteau表示,主要基地台OEM廠了解,為滿足5G天線部署時成本、頻譜和效能目標,需仰賴寬能隙氮化鎵元件的性能,以及能促進升級轉型的成本結構和製造規模。該公司認為,透過與意法半導體合作,將使MACOM能滿足基地台廠商的全部要求-產品性能、成本優勢和高產量供應鏈。MACOM與ST這個初期階段的聯合產能投資,可以使雙方有更多產能服務在全球高達85%的5G網路建設市場。 ST汽車與離散產品部總裁Marco Monti表示,ST已經在碳化矽技術領域打下堅實的基礎,現在正在推進RF矽基氮化鎵的技術,以支援OEM廠建立新一代高性能5G網路。碳化矽是汽車功率轉換等電源應用的理想選擇,而矽基氮化鎵能夠提供滿足5G所需的RF性能、產能和商用成本結構。 事實上,射頻跟光電過去一直是化合物半導體最主要的應用領域,以氮化鎵材料來說,在開拓出PowerFET應用這個新市場之前,最重要的應用市場就是高功率射頻領域,例如軍用的高功率雷達,就會用到碳化矽基氮化鎵(GaN on SiC)元件。跟前者相比,矽基氮化鎵適合運用在中低功率射頻應用,通訊基地台就是其典型應用之一。 在5G網路布建將採用更多微型基地台情況下,相關元件需求也令人期待。5G微型基地台的大小可做到和Wi-Fi存取點設備相仿,發射功率也相近,因此若電信商要以微型基地台組成網路,採購規模必然相當可觀。 不過,林嘉孚分析,以技術特性來看,矽基氮化鎵PA恐怕難以將應用拓展到行動終端市場,因為矽基氮化鎵的效率雖好,但啟動電壓卻比異質雙極性接面電晶體(HBT)跟假晶高速電子移動電晶體(pHEMT)明顯高出一截,不適合以電池供電的行動裝置使用。但有些研究團隊正在發展低電壓的GaN on Si,只是目前尚不成熟。 如果是行動裝置所使用的PA,基於砷化鎵的HBT跟pHEMT還是比較理想的選擇,因為HBT跟pHEMT具備低啟動電壓的優勢。但HBT很難做到毫米波頻段,因此,在5G通訊時代,低於6GHz頻段的5G行動終端,應該還是會採用HBT;使用28GHz以上的毫米波5G行動終端,則可考慮使用pHEMT。 至於CMOS PA,在未來一段時間內,可能都會停留在概念驗證或技術展示的階段,因為CMOS PA的效率太低,除了會影響行動裝置的電池續航力,封裝也是個大考驗。眾所皆知,在毫米波頻段,天線、PA,甚至連數據機(Modem)晶片都將會透過異質封裝技術整合在同一個封裝模組內。若PA效率太低,封裝散熱的問題會相當棘手。 技術門檻高 台廠領先優勢明顯 中國政府大力鼓吹半導體產業自主,並投入大量資金來扶植相關業者,是近幾年來屢屢在全球半導體業內引發討論的話題。同樣的情況其實也出現在化合物半導體領域,只是據業內人士指出,中國政府對化合物半導體的投資高度聚焦在國防跟軍用領域,因此不像DRAM或晶圓代工,容易引發廣泛關注。 但即便中國在本土化合物半導體產業鏈同樣砸下重金,中國的化合物半導體產業進展仍相當有限,一方面這跟技術管制有關,另一方面也跟長晶、磊晶技術十分複雜,需要長時間累積Know-how,光靠資金投入無法取得立竿見影的效果有關。 除了少數例外,如發光二極體(LED)之外,一般來說,化合物半導體的磊晶技術跟設備受到高度管制,且有大量Know-how累積在磊晶廠手上。同款設備,使用不同配方跟製程參數,產出的產品特性會有很大不同。因此,中國很難複製在LED產業的成功經驗,快速打造自主的化合物半導體供應鏈。相較下,台灣化合物半導體製造發展較早,且設備、技術轉移方面,也較不會遇到困難。 有業界人士估計,台灣化合物半導體製造商技術大概還領先中國同業至少三到五年,且差距沒有因為中國政府大力投資扶植而有所縮短。這意味著台廠在化合物半導體領域還有很明顯的領先優勢,不用擔心中國同業殺價競爭。但也因為如此,台灣的化合物半導體廠商通常十分低調,不僅不太願意公開談論自家的技術或策略發展方向,而且資訊保防工作做得相當嚴密。每家業者都在鴨子划水,盡最大努力保護自己的領先優勢。
0
- Advertisement -
- Advertisement -

最新文章

- Advertisement -

熱門文章

- Advertisement -

編輯推薦

- Advertisement -