与SiC力争新能源“制霸权” GaN-On-Si凭“兼容”之势冲出重围

“前浪”Si与SiC双雄之争尚未停歇，身为“后浪”的GaN就急匆匆想要“上位”，让这场围绕新能源汽车市场的“权力争夺”好生热闹。的确，作为SiC的孪生方案同时也是最具杀伤力的竞争对手，GaN如今在ST、TI、英飞凌以及闻泰等一众国际半导体巨头势力的助推下，于新能源市场跃跃欲试，一时风头无两，大有赶超SiC之势。

诚然，这也得益于GaN自身的“天赋异禀”。德州仪器高压电源应用产品业务部氮化镓功率器件产品线经理Steve Tom在接受《华强电子》记者采访时表示：“之前在进行研发的时候，我们从长远角度考量，因为我们使用的GaN是硅基质，它的成本方面要比SiC低很多，在开关频率表现方面，GaN可以比SiC开关频率更快以及有更好的开关特征，包括更低的损耗，而且在可靠性方面我们也进行了很多的测试。正是由于TI对于硅可以进行大规模的生产，我们选择了硅基氮化镓，一是可以降低成本，二是可以进行非常大规模和可靠的生产。所以，仅从性能上综合来看，GaN在成本、大规模量产、可靠性、开关表现方面相比SiC都会有相应的优势。”

不过，可能对于大量在硅晶圆量产领域有深厚积累的传统半导体厂商来说，GaN的可大规模量产性以及成本可控才是真正促使他们选择的理由，安世半导体MOS业务集团大中华区总监李东岳向《华强电子》记者解释到：“目前虽然碳化硅起步比较早，在特斯拉牵引逆变器的应用上已经采用ST的碳化硅，但是GaN尤其是硅基氮化镓，原材料我们使用的是硅晶圆，生产设备与很多硅晶圆厂能够进行兼容，稍作改造即可使用，未来如果有电动汽车或者混动汽车产能快速上升的话，由于碳化硅需要非常好的材料，且生产需要专门的设备，原材料的生产也比较复杂，所以生产时间会很长，如果有快速的量增长，SiC很难去满足市场。”

相比之下，GaN由于能与现有的硅基原材料和加工厂等硅基半导体产业链兼容，所以扩产非常灵活，可以快速满足市场需求，李东岳认为：“长期来讲，因为生产工艺甚至比MOS更简单，所以整体成本上可以做到更有优势。氮化镓方面，目前我们正在开发的产品能做到900V，未来的话我们有1200V的计划，特斯拉上面仅仅用到650V而已，已经可以满足现有的市场需求。”

可是，从目前整体入局的企业特征来看，相比于SiC，GaN领域的玩家虽阵容强大却颇为稀缺，当下真正能做到实际量产上市的更是屈指可数，这也成为GaN目前难以在规模上盖过SiC风头的最大“结症”。究其原因，主要还是车规级GaN本身的高门槛，如材料和制造工艺上存在相当大的挑战，新入局者都必须要直面自身在车规级器件的管理和制造经验上不足等一系列问题。

具体来讲，由于车规对GaN的要求比较高，主要体现在以下几个方面：首先，在车载应用当中，对于功率要求变换的波动是比较大的，功率循环波动比较大的情况下，器件的参数在这个环境下要保持稳定相当困难；其次，汽车领域长期处于高震动、高湿度、高温度的工作环境，这也就要求器件在应对热应力和机械应力上要有非常高的可靠性；除此，汽车在装配的过程中，体积重量以及整个制造成本上是有很严格的要求的，所配套带来的车规器件要能够满足这种很严格的要求。

况且，仅极端苛刻的寿命要求这一点，就可以将很多想要入局的半导体新晋玩家拒之门外。就目前来看，工业领域对GaN器件一般只有大概五年寿命的要求，但车规级应用至少需要十五到二十年寿命要求。例如现有的650V的器件，供应商需要器件在能够达到175度的节温下，还能在高温的条件下电压能力仍然达到百分之百，这并不是普通的玩家能够轻易做到的。

汽车对于GaN器件的要求的确是很高的，李东岳强调：“但安世半导体是一家非常有经验的车规元器件的厂商，我们可以去优化整个的工艺和封装去做这些事情，2021年我们是比较有信心将车规级的器件发布面市的。”

Steve Tom也表示，TI针对汽车领域的GaN-On-Si在面市之前，也经过了4000万小时的可靠性测试：“TI GaN是有专门的可靠性实验室，会针对硬开和软开的情况都会进行非常多的可靠性测试。在硬开的时候可以将功率等级在4000瓦以上，会进行一周7×24小时的测试，并且在测试的同时进行数据采集，来判断以及分析GaN的可靠性。而且，在浪涌方面也进行了很多测试，我们的器件可以承受高于720伏的浪涌，可以在过压的时候也非常顺利的进行开关。”