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滿足消費應用需求 GaN快充市場潛力不容小覷

手機/平板/筆電的螢幕尺寸、應用程式等功能快速成長,每人擁有的電子設備與穿戴裝置增加,導致電源需求同步提升,多接孔且充電快速的充電器順勢成為市場熱門的應用之一。同時面對矽材料在能量密度等方面的理論極限,為提升電源的轉換效率與功率密度,氮化鎵(GaN)逐漸成為受到製造商關注的功率半導體應用。投入GaN產品研發的廠商中,部分製造商專攻200V以下的消費電子市場,而GaN快充便是消費電子產品中商品化最為快速的應用。本文將整理GaN在消費性電子市場的應用分析與發展挑戰,探究GaN在消費電子市場的潛能,以及未來應用方向。 GaN快充應用看漲 今年GaN快充應用的熱潮,從1月CES 2020的參展狀況可略知一二。GaN System台灣區業務總經理林志彥(圖1)描述,CES 2020中,約有50-60家的台灣及中國的消費電子配件品牌參展,並推出超過100件採用GaN的產品。納微半導體(Navitas)銷售和市場副總裁Stephen Oliver(圖2)認為,2020年即是GaN在智慧型手機/平板/筆電快充產品的應用快速發展的一年。過去幾年間,從統計數據中可以發現,螢幕與電池的尺寸持續增加(圖3),同時Oppo、Vivo、聯想(Lenovo)、小米已推出手機搭載65W以上的充電器,代表使用者需要快充滿足逐漸增加的電源需求。除了先前主攻售後市場的AUKEY、Anker、RAVpower及Belkin,其他製造商如聯想、三星(Samsung)、Oppo與小米採用GaN快充作為售後的手機配件,甚至可能將其提升為原廠標配(圖4)。 圖1 GaN Systems台灣區業務總經理林志彥 圖2 納微半導體銷售和市場副總裁Stephen Oliver 圖3 2017-2020年智慧型手機及電池尺寸變化   資料來源:Navitas 圖4 2020年Q2 OEM廠商充電器分布   資料來源:Navitas 除了GaN快充產品在消費端需求顯著,製造商同時看好GaN高效率、低導通損耗、外型小巧且適用於高頻率的材料特性。Yole化合物半導體/新興材料技術與市場分析師Ezgi Dogmus解釋(圖5),技術上,GaN在系統整合方面有兩大主要趨勢:系統單晶片(SoC)、系統級封裝(SiP)。針對技術平台,有兩種為了GaN部署的半導體基板:採用藍寶石基板的GaN-on-sapphire、使用矽基板的GaN-on-Silicon。兩種技術都發展良好,可望在明年成為熱門應用。整體而言,GaN快充系統的成本、尺寸及效能,將會創造比其他充電產品更大的市占率。 圖5 Yole développement化合物半導體技術與市場分析師Ahmed Ben Slimane(左)、Yole  développement化合物半導體/新興材料技術與市場分析師Ezgi Dogmus(右) 廠商競爭刺激產量 面對新應用如GaN快充,產品成功最重要的關鍵在於開創市場,讓技術被市場接受並且獲利。Stephen Oliver提到,相較於使用矽,採用納微GaNFast功率晶片的充電器,在整合GaNFET/驅動器/邏輯與數位電路的前提下,可以達到充電速度加快三倍,同時體積減少一半,兼顧性能與價格的優勢。例如廠商AUKEY使用GaNFast晶片製造61W的快充,其體積比蘋果充電器小65%。 如果著重觀察消費市場對新技術/產品的接受度,價格便是驅動需求的主因。林志彥舉例,小米已推出的GaN快充電源售價約台幣700元,成為市場高度接受的產品之一。此外,長期而言,小體積的GaN所需材料少於矽充電器,因此若產量提高甚至進入自動化生產階段,價格將更有明顯的競爭優勢。 生產方面,消費電子產品通常由製造商設定價格、效能與外型規格標準,快充也是如此。Yole分析師說明,GaN作為一項新技術,主要的挑戰在於價格與採用率,而這些又都受限於OEM廠商的嚴格要求與市場布局。截至2020年第二季的GaN市場持續波動(圖6),GaN仍具突破與成長動能。Yole分析師預估,接下來的18個月內,市場會維持相似的浮動狀態,因此國際大廠如三星、華為在產品標配中採用GaN快充的規畫中激烈競爭,蘋果(Apple)可能也會加入戰局,廠商間的競爭將會大力刺激市場銷量,同時導致GaN快充產量上升且價格快速下降。 圖6 功率GaN裝置市場營收趨勢  資料來源:Yole 現階段的GaN快充功率以65W為主流,Stephen Oliver表示,接下來三至五年間,GaN快充的研發必然朝著功率密度更高、充電更快的方向前進,例如聯想預計在今年九至十月左右推出搭載90W電池的手機。新型態的消費者更依賴電子設備提供的工作與娛樂功能,但生活節奏加快、設備的電池容量增加,無法等待漫長時間的來完成充電,因此不斷增長的充電速度即是因應市場需求,Stephen Oliver認為未來功率GaN晶片的市場規模可達10億美元。此外,多接孔的USB-C充電器也會在產業中掀起風潮,滿足現在常見同時持有多個電子設備的消費者的充電需求。 2025年GaN市場上看七億 隨著三星、華為、小米等手機製造商規畫將GaN快充放入標配,Yole分析師觀察到GaN快充高度的市場潛力。GaN已經開始部署在超過45W的快充中,仰賴其小尺寸且高度整合的電源系統,形成高功率密度的應用。接下來三年內趨勢將指向系統單晶片及系統級封裝技術,驅動GaN在消費市場的進展,且GaN充電器的尺寸會持續縮小並伴隨成本下降。 整體而言,Yole分析師預測GaN市場在2025年會超過七億美元,2019~2025年的年均複合成長率(CAGR)則為76%,代表2025年在GaN的整體市場中,將有超過80%的占比來自消費市場(圖7)。林志彥進一步說明,GaN System在市場布局上關注的消費電子、儲能系統、資料中心、工業控制與電動車五大領域中,其中進展最快的即是消費電子市場,能在成本降低次激需求提升的前提下,快速達到量產。2021年下半年,各家廠商高階的手機/筆電型號,極有可能會將GaN充電器/變壓器納入標配規格。 圖7 功率GaN裝置市場規模分析(按應用區分)  資料來源:Yole 除了手機配件,GaN還有其他具有商機的應用場景。Yole分析師表示,GaN的性能表現與外型尺寸帶來優勢可應用在以下幾個領域: ‧ LED驅動器:GaN架構的成本才是受到採用的主因,其裝置GaN有機會用在大於50W的高階、高功率LED驅動器中。 ‧ D類音效功率放大器:國際廠商如EPC、英飛凌、GaN...
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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...
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