功率半导体采用新型材料 符合节能需求

    市场研究机构IMS Research预测,全球功率半导体(Power semiconductor)市场在2011年成长3.7%之后,2012年将进一步成长5.0%,达到320亿美元规模。IMS资深分析师Ash Sharma表示,经济前景不明朗效应将持续发酵至2012年,导致2012上半年的功率半导体市场表现与前一年同期相较持平。

    虽说功率半导体整体市场成长不明显,不过部分应用市场的表现仍保持强劲,例如智能手机对于功率半导体的需求就仍持续成长,这也是许多功率半导体业者锁定的市场区隔之一。事实上,随着高功能性智能手机大受欢迎,以及使用者对于这些手持装置无缝体验的使用期待,市场对于外形尺寸更短小轻薄、耗电量更低以提供更长电池使用时间的需求持续升高。

    为符合上述需求,功率半导体业者积极研发具备更低导通电阻的功率MOSFET,以应用于大电流之充电/放电控制、RF功率放大器开/关控制,以及过电流截断开关电源

    降低导通电阻及缩减封装体积

    为了符合智能手机等便携设备所使用的开关电源电源供应器规格,功率半导体业者持续致力于降低导通电阻并开发更小型的封装,同时提供更多样化的产品系列。例如瑞萨电子便在日前推出专为智能型手机与平板计算机等可携式电子产品所设计的八款新型低损耗P信道与N信道功率金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)产品。瑞萨表示,此八款新产品月产能将可达到每月3百万颗。 

 

瑞萨推出缩小封装的功率半导体

    瑞萨表示,该公司推出的新款μPA2600与μPA2601MOSFET,能使便携设备更加小型化并提供低导通电阻,同时在多种应用中缩小安装面积,包括负载开关电源(开启或关闭供应至IC的开关电源电源)、便携设备中的充电/放电控制,以及RF功率放大器(高频率讯号放大器)中的开/关控制与过电流截断开关电源等。

    另外,国际整流器公司(International Rectifier,IR)日前也推出一系列采用TSOP-6封装、搭载IR最新低压HEXFETMOSFET硅技术的器件,适用于电池保护与逆变器开关电源中的负载开关电源、充电和放电开关电源等低功率应用。全新的功率MOSFET具备极低的导通电阻,能够大幅降低传导损耗。新产品可以作为N及P信道配置里的20V或30V器件,最大栅极驱动从12Vgs到20Vgs不等。

    IR亚太区销售副总裁潘大伟表示,采用TSOP-6封装的IR全新功率MOSFET系列拥有极低的导通电阻,因而这些新器件能够取代封装尺寸较大的MOSFET,有助于减少电路板面积和系统成本。

    除关注智能手机对功率半导体的需求外,另一值得观察的趋势是氮化镓(GaN)与碳化硅(SiC)新材料功率半导体的崛起。

    氮化镓降低成本可能性大

    首先,在碳化镓部分,根据IMS Research的最新报告指出,新兴的氮化镓(GaN)功率半导体器件市场价值虽然在2011年几乎为零,但预计将在2021年增至10多亿美元。IMS Research指出该产品的关键市场为开关电源电源供应器、太阳能逆变器、工业用电动机等。再者,法国Yole公司预测氮化镓功率器件在2012年的销售额将达1000万美元,2012年初将是GaN功率组件市场快速起飞的转折点,而整体市场产值将于2013年达到5,000万美元规模,并于2015年快速激增至3亿5,000万美元。

    氮化镓是一种宽能隙材料,它能够提供与碳化硅(SiC)相似的性能优势,但降低成本的可能性却更大。业界认为,在未来数年间,氮化镓功率器件的成本可望压低到和硅MOSFET、IGBT及整流器同等价格。事实上,在过去两年间,氮化镓功率器件已有明显进展,例如国际整流器公司(International Rectifier)已推出GaNpowIR、EPC推出eGaNFET器件,以及Transphorm推出600伏氮化镓晶体管等。

    其中,国际整流器公司推出的GaNpowIR可满足市场对功率MOSFET愈来愈高的需求,该公司表示,GaNpowIR的FOM能比现在最先进的硅MOSFET优异十倍,并在众多不同的应用皆有庞大的潜能。国际整流器全球业务资深副总裁AdamWhite表示,由于硅材料的功率芯片技术已面临瓶颈,未来效能突破空间有限,国际整流器多年前便已开始投入GaN材料技术研发。

    值得一提的是,为使GaN功率组件拥有较佳的成本结构,包括国际整流器与EPC两家公司,均是采用硅基氮化镓(GaN-on-Silicon)制程技术,如此一来,不仅成本可优于体块式氮化镓(Bulk-GaN),以硅基氮化镓制成的高电子迁移率晶体管(HEMT)也可比同级的SiC组件便宜。除上述业者外,MicroGaN、Furukawa、GaNSystem、Panasonic、Sanken和东芝(Toshiba)等业者也已加入GaN功率半导体领域。

    碳化硅来势汹汹

    氮化镓来势汹汹,碳化硅也不容小觑。例如,英飞凌科技已于PCIM Europe 2012展览中宣布推出最新CoolSiCTM 1200V SiC JFET系列,进一步强化英飞凌在SiC(碳化硅)市场的领先地位。英飞凌高压功率转换产品部门主管Jan-Willem Reynaerts表示,英飞凌此次推出的CoolSiCTM能让太阳能逆变器的效能达到新的水平。

    

 

英飞凌推出碳化硅功率半导体

    他还指出,相较于IGBT,全新的CoolSiCTM 1200V SiC JFET大幅降低切换耗损,可应用更高的切换频率,不需牺牲系统整体的效率。因此能够使用体积更小的被动组件,进一步缩小整体解决方案的体积与重量,并降低系统成本。换句话说,该解决方案能够让相同体积的逆变器达到更高的输出功率。除英飞凌外,另如科锐(Cree)、快捷(Fairchild)、包尔英特等也都已投入碳化硅功率半导体研发领域。

    基本上,氮化镓及碳化硅在功率半导体领域的崛起,主因在于,相较于传统以硅为材料的功率半导体,这两项新材料具有更低的导通电阻及更高的切换速度,更能符合日益严苛的能源效率要求,因此前景颇受看好,预料市场版图将持续扩大。


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