專訪納微半導體查瑩傑:全球「芯荒」下的氮化鎵功率晶元

第三代寬禁帶半導體材料氮化鎵耐熱性好,因具有高電子遷移率,可提高晶體管的開關轉換速度,適用於高頻率、大功率電路中,氮化鎵的高頻特性可帶來整體功率密度提升,目前氮化鎵功率晶元已進入消費電子快充市場。在全球「芯荒」之下,氮化鎵晶元是否受到影響?氮化鎵晶元的機遇在哪?設計、量產等方面還存在哪些挑戰?

氮化鎵功率晶元企業納微半導體(Navitas Semiconductor,納斯達克交易代碼NVTS)副總裁、中國區總經理查瑩傑是納微中國的第一號員工。他在接受澎湃新聞(www.thepaper.cn)專訪時表示,從性能、成本上看,氮化鎵晶元需要慢慢在功率半導體領域替代矽晶元。

氮化鎵功率晶元的市場機遇之一是消費類電子。手機充電功率在增長,適配器和充電器功率從5瓦、10瓦變成65瓦、125瓦時便攜性越來越差,而採用氮化鎵晶元的充電器體積小,充電速度快。此外,納微半導體也在研發加速數據中心和車載充電器等領域的氮化鎵應用。

當前全球「缺芯」,半導體產能緊張持續。氮化鎵技術是否受到「晶元荒」的影響?查瑩傑表示,半導體原材料都在漲價,但「氮化鎵材料沒有做相應調整,成本沒有太大的變化」。納微半導體使用的台積電6英寸廠工藝產能豐足,不佔用目前緊缺的8英寸產能。從迭代速度角度看,未來納微半導體氮化鎵晶元的迭代周期有望從兩年變成9個月,成本可大約減少20%-30%。

從氮化鎵晶元的工藝成熟度來說,台積電良率超90%,氮化鎵功率半導體已經是「非常成熟的器件」了。但查瑩傑表示,對於供應鏈成本下降、產量提升還需要一個過程。

查瑩傑

納微半導體成立於2014年,總部位於愛爾蘭,其GaNFast功率晶元集成了氮化鎵功率器件以及氮化鎵驅動、保護和控制器件,體積小、充電快、節能效果強。GaNFast功率晶元被應用在130多種型號的移動充電器中。截至2021年10月,納微半導體已交付3000萬多顆GaNFast功率晶元。在65W功率段,GaNFast功率晶元頻頻進入OPPO、小米、努比亞、聯想、堅果、Bell金等品牌廠商供應鏈。

今年10月,納微半導體敲響納斯達克開市鍾。「中國市場變得越來越重要,我們的營收超過70%來自中國。」納微半導體已在上海建立納微中國晶元研發中心,設立深圳、杭州分公司。

高電子遷移率的高頻「贏家」

第三代半導體材料以氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)、氧化鋅(ZnO)、金剛石等為代表,具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高及抗輻射能力強等優點,是固態光源和電力電子、微波射頻器件的「核芯」,在半導體照明、新一代移動通信、智能電網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領域具有應用前景。

氮化鎵是擁有穩定六邊形晶體結構的寬禁帶半導體材料。禁帶是指電子從原子核軌道上脫離所需要的能量,氮化鎵的禁帶寬度為3.4eV,是矽的3倍多。禁帶寬度決定了一種材料所能承受的電場。

氮化鎵材料耐熱性好,因具有高電子遷移率而成為高頻的「贏家」,其電子遷移率高於碳化矽,可提高晶體管的開關轉換速度,適用於高頻率、大功率電路中。查瑩傑表示,氮化鎵的高頻特性可帶來整體功率密度提升。

「同等性能前提下用氮化鎵做的晶元大小是傳統矽晶元的1/5-1/4。」查瑩傑介紹,因此單一晶圓上能產出更多的氮化鎵DIE(晶圓切割後單個晶元的晶圓)。由於使用矽襯底,氮化鎵晶元成本可得到有效控制。氮化鎵作為新一代半導體技術,其運行速度比傳統矽晶元快20倍,並且在尺寸和重量減半的情況下可將功率和充電速度提高3倍。

「新技術要在新市場推廣,很重要的一點是市場需要這樣的東西。」查瑩傑表示,氮化鎵功率晶元的市場機遇之一是消費類電子。「5G功耗很大,導致電池要變大,電池變大導致充電功率變大。」

手機充電功率在增長,適配器和充電器功率從5瓦、10瓦變成65瓦、125瓦時便攜性越來越差。而採用氮化鎵晶元的充電器體積小,充電速度快。今年2月,小米新品發佈會上推出明星產品65W GaN充電器,就引發了市場對氮化鎵的關注。

與此同時,USB標準化組織推廣Type-C介面和USB功率傳輸協議(USB Power Delivery,USB PD)後導致配件市場爆發,一個標準適配器,手機能快充,筆記本電腦也能用,需求就變大了。「Type-C介面的需求越來越大,Anker、亞馬遜、倍思、綠聯這些配件廠商的生意井噴式發展。」

查瑩傑表示,這些都在為氮化鎵快充市場做鋪墊。納微半導體預計,兩年內氮化鎵充電器的成本將與矽充電器打平,3年後氮化鎵充電器製造成本有望比矽充電器更低。

中信證券研報顯示,目前市面上已有多家廠商布局GaN快充,預計隨著用戶對便攜性需求提高,未來GaN快充市場規模將快速上升,預計2020年全球GaN充電器市場規模為23億元,2025年將快速上升至638億元,同時加速GaN晶元在其他新興領域對矽基產品的替代。

除消費電子市場,納微半導體也在研發加速數據中心和車載充電器等領域的氮化鎵應用。

「適配器和數據中心是納微明年很重要的領域,所有數據中心伺服器的頭部廠商都開始用納微的產品,汽車和太陽能緊隨其後,我們目前並沒有單一依賴於某一個客戶或某一個領域。」查瑩傑表示,工業、汽車、互聯網數據中心(IDC)等工業領域的氮化鎵晶元應用將是納微半導體未來的主旋律,前兩年已經在數據中心高壓直流電源(HVDC)產品、伺服器標準電源等領域開展合作。

「到2023年,歐洲所有數據中心的能效要求達到96%的效率。現在中國大部分的伺服器數據中心的電源還在92%或94%的效率。」查瑩傑表示,看起來只是2-4個百分點的提升,但達到96%的效率意味著功耗要降低一半,這要求有巨大的技術突破。「氮化鎵的使用可以提升伺服器電源的效率,這也是市場機遇。」

「晶元荒」下的氮化鎵技術

當前全球「缺芯」,半導體產能緊張持續。中信建投研報顯示,晶圓代工產能不足,代工漲價預計傳導至IC設計廠商。當前半導體的需求雖然出現一定的結構性分化,但整體仍處於高景氣度以及供需緊張的狀態,今年未見產能緊張緩解或鬆動跡象,預計2022年整體產能仍然緊張且漲價持續。

氮化鎵技術是否受到「晶元荒」的影響?查瑩傑表示,晶元荒、晶元漲價對整個供應鏈都一視同仁。但從氮化鎵供應鏈角度看,氮化鎵晶元目前占矽晶元市場的比重是0.5%,由於單一晶圓上能產出更多的氮化鎵DIE,相比矽晶元「產能可以增加5倍」。

此外,半導體原材料都在漲價,但「氮化鎵材料沒有做相應調整,成本沒有太大的變化」。查瑩傑表示,納微半導體使用的是台積電6英寸廠工藝,產能豐足,不佔用目前緊缺的8英寸產能。

從迭代速度角度看,未來納微半導體氮化鎵晶元的迭代周期有望從兩年變成9個月,成本可大約減少20%-30%。同時隨著客戶的正向系統反饋,「我們把越來越多的電路集成,這樣整個外圍電路越來越簡單,從而降低了系統成本。」

「晶元行業的波動是持續的,明年可能還是缺貨。」查瑩傑說,對於納微半導體來說,策略是不斷減小氮化鎵DIE尺寸,「極限值還遠遠沒有到。」此外就是走集成路線,以前「很多電路是用矽來實現的,現在可以用氮化鎵實現」。

儘管如此,氮化鎵晶元在設計、量產等方面還存在哪些挑戰?查瑩傑對澎湃新聞(www.thepaper.cn)表示,在高頻應用體系中,矽從幾赫茲發展到65kHz花了三四十 年時間,這個漫長的過程使得矽晶元的配套生產體系和應用體系得到完善。而氮化鎵作為高頻器件,要發揮它的優勢就要提高頻率,「若是配套廠商和生產工藝跟不上,就要花費大量時間解決問題,這也是氮化鎵在高頻使用時碰到的難點。」

從氮化鎵晶元的工藝成熟度來說,台積電良率超90%,氮化鎵功率半導體已經是「非常成熟的器件」了。但查瑩傑表示,對於供應鏈成本下降、產量提升還需要一個過程。

「快充的進展很快,到今天大家覺得理所當然,其實我們也有很多辛酸史。從2018年開始我們就跟很多客戶合作,一開始大家都很高興又做了一個好東西,但一量產,或多或少會有問題,我們克服了很多技術障礙,包括對晶元的改進等等。」

從消費電子快充走向數據中心、汽車業務,查瑩傑表示,目前還面臨封裝、散熱的難題。「但我們堅持一個原則,就是確保器件的安全性,把檢測和自我保護功能做在裏面,可以做到第一時間響應。」

營收超七成來自中國

成立7年後,納微半導體敲響納斯達克開市鍾。今年10月,納微半導體正式開始在納斯達克全球市場交易,總融資額超3.2億美元。11月,納微半導體宣布推出新一代採用GaNSense技術的智能GaNFast氮化鎵功率晶元。

「中國市場變得越來越重要,我們的營收超過70%來自中國。」納微半導體已在上海建立納微中國晶元研發中心,設立深圳、杭州分公司。查瑩傑表示,深圳是電子產品應用端集聚之地;在杭州,浙大的電力電子學科國內數一數二,納微挖掘了一批數據中心伺服器應用人才。

而上海是集成電路創新的高地,也是除洛杉磯以外納微的第二個晶元設計中心。「我們把重頭的全球車BU(業務單元)總部設在上海,主要還是跟人才、產業布局相關。」

「晶元發展從2000年到現在已經20多年了,以長三角為基礎出現了很多IC設計、封裝人才,基本上都在上海、蘇州地區,這裏原來是外資企業的研發總部,包括封裝的工廠都設在這個地方,是培養中國半導體的搖籃。」

中國半導體產業投資火熱,查瑩傑提到,市場對半導體設計人才的需求量大幅度提升。「電子科大、復旦、清華、西安電子科大等等這些原本以微電子為基礎的高校受到了極大的追捧。」

查瑩傑今年也發現,薪資倒掛在行業內變得普遍,「這是產業發展的必然趨勢,跟2000年互聯網蓬勃發展一樣,很多高校對半導體的投入越來越多。」

就氮化鎵領域的人才現狀而言,查瑩傑直言「短期內人才緊缺現象很難解決」,人才的培養也不是一蹴而就的。「氮化鎵部分目前在國內來說很有挑戰,以前涉及到氮化鎵的學校並不多。從納微的角度來說,我們主要是以海外回來的學生為主,以及在洛杉磯工作的員工。」但隨著人才迴流、政策及產業資金支持,他認為國內氮化鎵的發展將遠超矽晶元原先的發展速度。

對於「彎道超車」這一說,查瑩傑認為,所謂的「彎道超車」可能僅僅是生產或設計的某一個環節,而氮化鎵是個非常龐大的體系,材料、生產、設計、應用,每個領域都非常複雜,「氮化鎵外延長晶是非常複雜的工藝,氮化鎵器件結構的設計也是。」不同的運營團隊,生產出的晶元良率也完全不一樣。

「我們還是鼓勵腳踏實地,慢慢推進技術的完善和成熟。」查瑩傑表示,如今資本和市場的包容性給了初創公司很多機會,「一個產品的完善很重要的一點就是要有反饋,產品量產後客戶給到你一個正向的反饋,然後進一步提升相應的品質和促進下一代產品演進,這給供應鏈、廠商帶來很大包容。」

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