全球电信营运商均采用低于6GHz频段、毫米波频段部署5G,促使OEM厂商相继朝更大频宽、更高效率、新天线技术平台与热管理(Thermal Management)四面向寻找市场机会,故推动GaN技术于RF功率中应用,甚至奠定GaN-on-SiC商业应用之基础。
5G基础建设与天线部署,迅速带动GaN技术应用
TrendForce集邦咨询旗下拓墣产业研究院认为,5G基础建设市场之竞争中均围绕着高效率天线类型,且将GaN-on-SiC技术用于5G 6GHz以下的无线宽带头端设备(Remote Radio Head,RRH)、主动天线系统(Active Antenna Systems,AAS)。
多数大厂已掌握无线宽带头端设备切换到主动天线系统之技术,并将RF前端从少量的高功率RF线转为大量的低功率RF线,且于5G 6GHz以下AAS之市场中大规模部署巨量天线(Massive Multiple-Input Multiple-Output,Massive MIMO)。
使得GaN与LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)之竞争更加激烈,尽管LDMOS技术在6GHz以下的高频性能上取得显著进步;再者,GaN可依附在SiC基板上制作磊晶,即半绝缘SiC衬底上300mm GaN层约有3KV垂直击穿电压、2MV/CM横向临界击穿场,相较于传统厚缓冲法的击穿场高3倍,最后再进行后续电路加工。
根据Cobham Antenna Systems、ArrayComm基于GaN-on-SiC的5G天线(2^6~2^10 unit)在测试环境中,其散热问题、运行时电力损耗较传统制程技术优异,亦能提供出色的频宽、散热与功率输出。
汽车市场或将是GaN-on-SiC的主要驱动力
自SiC二极管首次商业化以来,功率SiC元件市场一直受到电源应用推动,尤其是Tesla各车系的逆变器开始采用SiC后,各汽车制造商也投入资金研发与设计SiC解决方案,现有许多车型的逆变器皆是采用基于SiC之解决方案,诸如Audi、Volkswagen、Hyundai与比亚迪等,其中比亚迪将其用于高阶车型。
随着5G与自驾车技术逐渐成熟,以及汽车产业正处于转型阶段,燃油车逐渐趋向新能源汽车(如FCEV、BEV、HEV等)发展,汽车制造商的逆变器解决方案将从SiC转为采用GaN-on-SiC技术,以消弥或改善新能源汽车于运行时的电力过度损耗问题,例如车厂针对逆变器解决方案透过采用基于GaN-on-SiC的模块或芯片优化功率输出与散热,使RDS(on)降低至41mΩ(Max:25℃的典型值为35mΩ),并具有低反向导通电压、高栅级阀值电压。
另外,部分厂商因应车厂需求,转而采用CCPAK封装技术,以铜夹带替内部缝合线减少寄生损耗,加上CCPAK GaN FET本身具有顶部或底部冷却配置,能提升优化电器与热性能,让电阻值可以降低到39mΩ(Max:25℃的典型值为33mΩ)。