Innoscience – a GaN-technológia következő szintje
A gallium-nitrid (GaN) egy széles sávszélességű félvezető anyag, amely a szilíciumhoz képest kiemelkedő tulajdonságokkal és teljesítménnyel rendelkezik, beleértve a nagy hatékonyságot, a nagy kapcsolási sebességet, a kiváló hőkezelést, a kis helyigényt és súlyt. Ahhoz, hogy a GaN-alapú eszközök széles körben elterjedjenek a teljesítményalkalmazásokban, még le kell küzdeni néhány akadályt, amelyek elsősorban a sorozatgyártással és az árcsökkentéssel kapcsolatosak.
A 2021 novemberében megrendezett PowerUp Virtual Expo során – amely teljes egészében a széles tiltott sávval rendelkező félvezetőkre összpontosított – Denis Marcon, az Innoscience vezérigazgatója tartott előadást erről a témáról.
Az Innoscience egy vezető vállalat, amelynek küldetése, hogy a GaN-technológiát széles körben elérhetővé tegye a piacon azáltal, hogy a legjobb minőségű és megbízható eszközöket kínálja a legalacsonyabb áron.
Az Innoscience-rőlAz Innoscience egy integrált eszközgyártó (IDM), amelyet 2015 decemberében alapítottak a CMBI, az ARM, az SK és a CATL fő befektetésével. Az új technológiák fejlődésével az elektromos hálózat és a teljesítményelektronikai rendszerek világszerte hatalmas átalakuláson mennek keresztül. Víziójuk célja, hogy a leghatékonyabb és legolcsóbb Gallium-Nitrid-on-Silicon (GaN-on-Si) teljesítménymegoldásokkal egy energetikai ökoszisztémát alakítsanak ki. 2017 novemberében az Innoscience először hozott létre Zhuhai-ban egy tömegtermelő 8 hüvelykes szeletgyártó sort GaN-on-Si eszközökhöz. A gyorsan növekvő teljesítményigények kielégítése érdekében az Innoscience 2020 szeptemberében új üzemet avatott Szucsouban. Élvonalbeli GaN-technológiai szolgáltatóként az Innoscience több mint 1400 alkalmazottja és több mint 300 K+F szakértője arra törekszik, hogy nagy teljesítményű és nagy megbízhatóságú GaN-eszközöket szállítson, amelyek széles körben felhasználhatók különféle alkalmazásokban, beleértve a felhőalapú számítástechnikát, az elektromos járműveket (EV) és az autóipart, a hordozható eszközöket, a mobiltelefonokat, a töltőket és az adaptereket. További információkért látogasson el a http://www.innoscience.com weboldalra!
|
Marcon szerint a GaN-technológia új szakaszába lépünk, ahol nagy volumenű gyártásra és ellátásbiztonságra van szükség a GaN-en alapuló összes újonnan megjelenő alkalmazás támogatásához. Emellett nagy szükség van a GaN árának jelentős csökkentésére, hogy az emberek anélkül élvezhessék a technológia előnyeit, hogy nagy felárat kellene fizetniük érte. Az Innoscience – mint a világ legnagyobb, teljes mértékben a GaN-technológiára összpontosító integrált eszközgyártója (IDM) – ezekre az igényekre fókuszál. Az Innoscience rendelkezik a világ legnagyobb 8 hüvelykes, kifejezetten GaN-on-Si szeletgyártó kapacitásával. Jelenleg a vállalat havi szeletgyártása 10 000 db, amely az év folyamán havi 14 000 db 8 hüvelykes szeletre, 2025-re pedig havi 70 000 szeletre fog emelkedni.
A GaN-technológia az évek során jelentősen fejlődött. Körülbelül 2010-ig a vállalatok a K+F fázisban voltak elfoglalva az innovatív technológia bizonyításával. A második fázisban – 2010 és 2015 között – megjelentek az első eszközök a piacon. Ez jelentős változást hozott, lehetővé téve, hogy az emberek GaN-eszközöket vásároljanak, és elkezdjék használni őket valódi projektekben.
A harmadik fázis 2015 körül kezdődött, amikor a rendszermérnökök rájöttek, hogy a GaN nem egyszerűen egy plug-and-play megoldás. Nem lehet csak úgy kicserélni a szilíciumot GaN-re, hanem inkább át kell tervezni a terméket, hogy jobban kihasználható legyen a megnövekedett GaN-teljesítmény.
„Ma a negyedik fázisba lépünk, ahol az árcsökkentésre, az ellátás biztonságára és a GaN tömeges gyártására kell összpontosítanunk, hogy támogassuk ezeket a megjelenő új alkalmazásokat” – mondta Marcon.
Amint az 1. ábrán látható, az Innoscience megközelítése az eredmények eléréséhez először is a nagy gyártó kapacitású, nagy áteresztőképességű szilíciumgyártási folyamatokkal felszerelt nagy kapacitások használata volt. Az Innoscience programjának második eleme az egy szeletre jutó megfelelő gyártóeszközök számának növelése volt a nagyobb átmérőjű szeletek alkalmazásával – a 6 hüvelykről 8 hüvelykre való áttérés –, a fajlagos ellenállás csökkentése (ami kisebb eszközöket jelent), és végül az egy szeletre jutó jó elemek számának növelése (kihozatal).
1. ábra Az Innoscience megközelítése a GaN tömegtermeléséhez és árcsökkentéséhez
„A Zhuhai-ban található kezdeti gyárunk autóipari minősítéssel rendelkezik, és már 4000 szelet/hónap gyártására van felszerelve. Ezután felépítettünk egy második gyárat Szucsouban, amely 16-szor nagyobb, mint a Zhuhai-i, és amely ma 6000 szelet/hó gyártásra képes, de a gyár teljes elkészültekor 65 000 szeletet fog havonta előállítani. Minden gyárunkban szilíciumgyártó sorokat alkalmazunk, hogy kihasználjuk a szilíciumgyártási folyamatok optimalizálása érdekében tett hosszú múltra visszatekintő fejlesztéseket” – mondta Marcon.
Ami a GaN FET-eket illeti, az Innoscience képes volt csökkenteni a fajlagos bekapcsolási ellenállást, RDS(on) – ami lehetővé teszi a kisebb méretű eszközök kifejlesztését – az Innoscience által „feszültségnövelő rétegnek” nevezett, a kapu kialakítása után növesztett réteg bevezetésével. Ezáltal az Innoscience növelni tudta a kétdimenziós elektrongáz- (2DEG) sűrűséget, és így csökkenteni tudta a 2DEG ellenállást anélkül, hogy ez hatással lett volna más paraméterekre, például a küszöbfeszültségre vagy a szivárgásra, stb. A 2. ábrán látható, hogy a referencia GaN (HEMT-A – fekete szín) és a feszültségnövelő réteggel ellátott Innoscience GaN-elem (HEMT-B – kék szín) küszöbfeszültsége gyakorlatilag megegyezik, míg a második elem bekapcsolási ellenállása jelentősen csökkent.
2. ábra A feszültségnövelő réteg beépítésével elért ellenállás-csökkenés
Az Innoscience jelentős munkát végzett a kihozatal optimalizálásában mind az epitaxiális kristálynövesztés, mind a technológiai eljárás terén. Az RDS(on) több mint 10 000 eszközön bizonyult egyenletesnek az egész szeleten. Ugyanez a viselkedés ismétlődik a kikapcsolt állapotú szivárgási karakterisztika esetében is, amely nagyon lapos görbét, és csak kis eltérést mutat a szelet szélén. Mindkét paraméter kiváló reprodukálhatósággal rendelkezik az egyes szeletek között.
Ami az alkalmazásokat illeti, az Innoscience egyik legnagyobb sikere az USB Power Delivery (PD) töltő, amelyből eddig több mint 30 millió darabot szállítottak. Az InnoGaNTM-technológia lehetővé teszi a tervezők számára, hogy kisebb méretben több energiát szolgáltassanak, növelve ezzel a teljesítménysűrűséget. Egy 45 W-os GaN-alapú PD-töltő 95,1%-os hatékonyságot tud nyújtani 2,5 W veszteség mellett, szemben egy szilíciumalapú megoldással, amely körülbelül 88%-os hatékonysággal és 6,1 W veszteséggel rendelkezik. Az InnoGaNTM-eszközök 10× nagyobb frekvenciát, 4× nagyobb teljesítménysűrűséget és 50%-kal nagyobb energiahatékonyságot biztosítanak, mint a szilícium.
Egy másik fontos alkalmazás az adatközpont. A 3. ábra mutatja az adatközpontban szükséges feszültségszintek biztosításához elengedhetetlen lépéseket. Az első lépés egy AC/DC átalakító, amely alapvetően a 277 VAC bemeneti feszültséget alakítja át 48 VDC-re, és a névleges teljesítménye 3 kW. A 48 V után további átalakításra van szükség, hogy a 48 VDC-t 12 VDC-re vagy 5 VDC-re csökkentsék, és itt egy 300-600 W-os átalakítóról van szó. És az utolsó lépés, a 12 VDC-ről vagy 5 VDC-ről lefelé 1 VDC-re. Mindezen átalakítási szakaszokban a GaN lehetővé teszi az átalakító méretének csökkentését és hatékonyságának növelését.
3. ábra Az adatközpontban alkalmazott teljesítményátalakítási szakaszok
„A GaN-nel a maximális kimeneti áramnál 10%-os csökkenést érhetünk el a teljesítményveszteségben. Ez azt jelenti, hogy az adatközpont működtetéséhez szükséges energiaszámla 10%-kal csökken. Perspektívába helyezve ez azt jelenti, hogy 2030-ban 100 TWh-t lehet megtakarítani csak azáltal, hogy áttérünk erre az architektúrára: ez az energiamegtakarítás 20 atomreaktornak felel meg” – mondta Marcon.
Az Innoscience gyárak már rendelkeznek az autóipari alkatrészek gyártására vonatkozó tanúsítvánnyal, és az Innoscience már dolgozik egy autóipari ügyféllel azon, hogy még ebben az évben elkészüljenek az autóipari minősítésű eszközök. Az autóipari GaN-alkalmazások közé tartoznak a DC-DC nagyfeszültségű átalakítók (650 V/950 V), a DC-DC 48 V/12 V-os átalakítók, a fedélzeti töltők és a LiDAR. A hagyományos 100 V-os szilícium MOSFET-ekhez képest a 100 V-os InnoGaNTM eszközök 13× gyorsabb bekapcsolási sebességgel és 15× keskenyebb impulzusszélességgel rendelkeznek. Ez lehetővé teszi a tervezők számára, hogy két eszközt helyezzenek el ugyanazon a chipen, amelyek mindegyike önállóan hajtja meg a lézert, ami olcsóbb, kisebb és egyszerűbb LiDAR-megoldást eredményez.
„A tömeggyártásra optimalizált GaN-technológiánknak köszönhetően, valamint a nagy áteresztőképességű szilíciumgyártó létesítmények használatával pontosan a piaci igényeket elégítjük ki, és célunk, hogy a GaN-technológiák a lehető legtöbb alkalmazásban, mindenütt jelen legyenek” – zárta Marcon.
Szerző: Maurizio Di Paolo Emilio – a Power Electronics News főszerkesztője
Maurizio Di Paolo EmilioMaurizio Di Paolo Emilio fizikából doktorált és távközlési mérnök. Különböző nemzetközi projekteken dolgozott a gravitációs hullámok kutatása terén, ahol hőkompenzációs rendszert, röntgensugaras mikronyalábokat, valamint kommunikációs és motorvezérlő űrtechnológiákat tervezett. 2007 óta számos olasz és angol nyelvű bloggal és magazinnal dolgozik együtt műszaki cikkíróként, szakterülete az elektronika és a technológia. 2015 és 2018 között a Firmware és az Elettronica Open Source főszerkesztője volt. Maurizio szívesen ír és mesél a teljesítményelektronikáról, a széles sávszélességű félvezetőkről, az autóiparról, az IoT-ről, a digitális technológiáról, az energiáról és a kvantumról. Maurizio jelenleg a Power Electronics News és az EEWeb főszerkesztője, valamint az EE Times európai tudósítója.
|
Innoscience Europe NV.
Philipssite 5 bus 1, 3001, Leuven, Belgium
Europe: Dr. Denis Marcon
Telephone: +32 471-138-822
E-mail :
