氮化鎵（GaN）正進入一個新的發展階段。在光達、衛星電源、快速充電器和AI電源供電等應用中確立自身地位之後，這項技術正越來越多地邁向低電壓、大電流應用領域，而在這些應用中，切換速度、低導通損耗和功率密度至關重要。

對於宜普電源轉換公司（EPC）而言，這一轉變尤其重要。該公司以增強型eGaN®技術為核心建立其GaN產品組合，並持續將GaN推進到傳統矽MOSFET在切換性能、尺寸和效率方面面臨限制的應用領域。低於100 V的低壓元件開發，如今為AI電源供電、機器人、馬達驅動以及其他大電流系統開啟了更多機會。

要支援這項技術藍圖，所需要的不僅僅是電晶體設計。隨著元件幾何尺寸不斷縮小、電流密度持續提高，製造技術也變得越來越重要。在我造訪Vanguard International Semiconductor Corp.（VIS）期間，我有機會與VIS氮化鎵專案開發總監Shyh-Chiang Shen教授直接討論這些挑戰，包括該公司的製造能力如何支援低壓GaN技術藍圖。

氮化鎵專案開發總監Shyh-Chiang Shen教授（左），EPC市場傳播總監Maurizio Di Paolo Emilio（右）

在我看來，這是EPC策略中一個非常重要的面向。GaN的性能並非僅由電晶體設計決定。隨著元件尺寸越來越小，如何製造尺寸更小且一致性更高的元件、維持良率、管理熱性能，並最終有效地對元件進行封裝，正變得同樣重要。因此，EPC與Vanguard的合作已經超越傳統的晶圓代工關係：它為推動EPC的GaN技術進入要求越來越嚴苛的應用領域提供了製造基礎。

VIS氮化鎵專案開發總監Shyh-Chiang Shen教授表示，該公司是較早投入八吋GaN晶圓代工的廠商之一，並擁有涵蓋650 V至1,200 V的內部技術平台。最近，該公司也與EPC合作開發低於100 V的低壓GaN技術。

“最近，我們也透過與EPC合作研究相關技術，以進一步開發面向低於100 V的低壓氮化鎵技術，”Shen表示。

推動GaN進入100 V以下領域

與高壓GaN相比，低壓領域面臨不同的製造挑戰。在較低電壓等級下，設計人員可以針對極低導通電阻和極高電流對電晶體進行最佳化，同時還能充分利用GaN高頻切換的能力。

這種組合對於負載點轉換、AI處理器供電、機器人和馬達控制等應用尤其具有吸引力，因為這些應用中的功率級必須在緊湊的電路板面積內提供大電流。

挑戰在於，要實現極低電阻，就需要越來越小的元件幾何尺寸，以及對製造製程進行嚴格控制。

Shen表示，因此，先進微影技術是一項關鍵推動因素。從六吋製造轉向八吋製造，使晶圓代工廠能夠使用更先進的設備，並實現更小的關鍵尺寸。

“作為一家八吋晶圓代工廠，Vanguard能夠為這些低壓元件應用提供大幅縮小的關鍵尺寸，”Shen解釋道。

對於EPC而言，這項能力十分重要，因為低壓GaN的性能與降低導通損耗的能力密切相關，同時還必須維持GaN廣為人知的高頻切換特性。

縮小元件尺寸有助於降低導通電阻並提高功率密度，但前提是必須同時控制好製程一致性和良率。因此，製造平台本身也成為性能方程式中的一部分。

八吋晶圓：不僅僅是提高產能

轉向八吋晶圓有時主要被視為一項擴大製造規模的決策。然而，對於低壓GaN而言，它還會影響元件性能和製程能力。

更大的晶圓可以提高產能，但對於先進低壓元件而言，更重要的優勢在於能夠使用可更精確控制更小幾何尺寸的製造設備。

Shen指出，晶圓尺寸、先進設備和製程控制的結合，是八吋平台的一項關鍵優勢。

對於EPC而言，這為擴展其低壓GaN技術提供了製造基礎，而不必將性能與可製造性視為彼此獨立的目標。為了實現極低電阻和大電流能力而設計的元件，最終必須能夠在大量晶圓生產中持續一致地提供這種性能。

隨著GaN從個別高性能應用逐漸邁向AI伺服器和機器人等系統中的更廣泛部署，這一點變得尤其重要。

製程一致性成為一項性能參數

在元件層面，低壓GaN越來越多地涉及如何在非常小的面積內管理極大的電流。因此，任何製程變化都可能直接影響電氣性能和熱性能。

Vanguard表示，該公司已經開發出相關製程，用於控制良率，並推動元件朝更高功率密度方向擴展。

“我們也有相應的方法來控制良率，並推動元件朝更高功率密度方向擴展，”Shen表示。

這對EPC尤其重要，因為其低壓GaN技術針對的是每一個微歐姆都至關重要的應用。更低的電阻可以降低導通損耗，而快速切換則可以縮小磁性元件以及功率級中其他元件的尺寸。

由此帶來的是系統級優勢：更高效率和更高功率密度有望同時實現，而不必在兩者之間作出取捨。

可靠性從技術問題轉變為製造紀律

長期以來，可靠性一直是圍繞GaN應用的關鍵問題之一。然而，隨著這項技術進入要求更高的應用領域，討論重點正越來越多地轉向製造商如何在大量生產中證明一致的可靠性。

Vanguard表示，其身為一家擁有悠久歷史的晶圓代工廠所累積的經驗，在這方面提供了重要優勢。該公司已經建立監控系統，可在製造過程中向工程團隊提供回饋。

“Vanguard擁有30多年的八吋晶圓代工服務經驗，我們已經建立了大量監控系統，可以向工程團隊提供即時回饋，”Shen表示。

對於EPC而言，這種製造紀律支援了更廣泛的策略：GaN性能不能與重複性和品質分開考量。隨著該公司瞄準AI電源和機器人等應用，客戶需要的不僅僅是一顆高性能電晶體，而是一個能夠實現穩定一致生產的元件平台。

Shen認為，整個產業目前正在這一過程中達到一個重要階段。

“氮化鎵已經發展到一個人們開始認可其長期可靠性潛力的階段，”他表示，並指出可靠性數據的不斷累積正在幫助提高市場對這項技術的接受程度。

封裝是GaN架構的一部分

電晶體只是電源系統的一部分。隨著電流密度提高，封裝和熱管理也變得越來越重要。

即使GaN具有很高的效率，功率損耗也不會完全消失。在大電流條件下，剩餘損耗仍可能產生大量熱量，而能否有效排出這些熱量將成為整體功率密度的一項限制因素。

“熱管理已經成為一個重大問題，不僅對傳統RF GaN如此，對功率GaN也是如此，”Shen表示。

因此，Vanguard正與客戶和封裝供應商共同研究不同的解決方案，包括DFN和TOLT封裝，以及專有封裝方案。

對於EPC而言，封裝已經是其GaN差異化優勢中的一個重要組成部分。該公司的封裝技術一直圍繞高速、大電流功率轉換的要求而發展。目標並不僅僅是將電晶體封裝起來，而是盡可能降低半導體與功率級其餘部分之間的電氣和熱限制。

這對低壓元件尤其重要。隨著電阻下降、電流能力提高，封裝和互連中的寄生電阻及寄生電感相對於半導體元件本身變得越來越顯著。

從電晶體走向整合式功率級

下一步可能是更高程度的整合。

Shen認為，整合是GaN產業的主要發展方向之一，並指出僅靠電晶體本身無法滿足未來電源系統的所有要求。

“正如我提到的，僅靠GaN是做不到的，”他表示。“必須將封裝和所有這些被動元件整合到一個非常緊湊的晶片或非常緊湊的電路板中。”

這一方向與EPC從分立電晶體朝整合式GaN功率解決方案發展的策略高度一致。

對於高頻應用而言，整合可以帶來多項優勢。更短的互連可以降低寄生電感，而將功率元件及相關控制電路配置得更靠近，則可以簡化整個切換迴路的設計。

最終可以形成一種能夠在更高頻率下運行，同時維持效率並使電磁特性可控的功率級。

Vanguard還指出，需要與基於矽的技術展開合作，尤其是在專用GaN閘極驅動器方面。

這凸顯了下一代功率轉換的一個重要現實：最具競爭力的架構不太可能僅以電晶體為基礎。半導體製程技術、閘極驅動、封裝、熱管理和被動元件越來越需要作為一個整體系統進行最佳化。

低壓GaN為何對AI和機器人如此重要

EPC低壓GaN技術的潛在應用遠遠超出了傳統電源。

Vanguard認為，AI伺服器和機器人是新興的應用機會，同時還包括光達等已經建立起來的應用領域。

“低壓氮化鎵正在越來越多的不同領域獲得認可，”Shen表示。“其應用範圍可以從傳統的光達系統開始，並逐漸擴展到AI伺服器。”

機器人領域可能尤其值得關注，因為功率電子設備分布在整台機器之中。馬達、致動器和本地電源轉換器都需要緊湊、高效率且反應迅速的功率級。

同樣的特性對AI基礎設施也越來越重要。隨著處理器功率持續提高，電源供電系統必須在有限的電路板面積內處理更大的電流。降低轉換損耗並提高切換頻率，可以幫助設計人員實現更高的功率密度。

這與EPC的低壓GaN技術藍圖高度契合。EPC並不是單純將GaN定位為效率更高的矽替代技術，而是瞄準那些能夠利用高切換速度、低電阻和緊湊封裝，從根本上改變功率級設計的架構。

支撐技術藍圖的製造合作夥伴關係

EPC與Vanguard的合作關係說明，GaN下一階段的發展正成為一項生態系統層面的共同努力。

EPC帶來元件架構、應用專業知識以及對高性能GaN功率轉換的專注，而Vanguard則貢獻八吋製造平台、製程開發能力和大量晶圓代工經驗。

Shen強調，這種合作關係建立在長期合作和開放交流的基礎上。

“我們非常高興EPC成為我們的合作夥伴，並共同開發這些先進技術，為功率電子產業服務，”他表示。

隨著EPC將GaN推進到更低的電壓範圍，這種合作關係變得越來越有價值。目標並不僅僅是製造尺寸更小的電晶體，而是打造一個可擴展的平台，能夠在大量生產中實現極低電阻、高電流密度、高頻切換和可靠運行。

這一機會十分巨大。Shen表示，低壓GaN正在進入一些可能成為未來十年最具代表性的電源市場的應用領域，尤其是在AI基礎設施和實體機器人持續發展的背景下。

“氮化鎵將成為未來十年最重要的技術之一，”Shen表示。

對於EPC而言，將其GaN元件技術與先進的八吋製造平台相結合，為GaN的優勢拓展到更廣泛的電源架構提供了一條發展路徑——從AI電源供電到機器人和高性能馬達控制——而在這些領域，傳統矽技術越來越難以同時滿足效率、切換速度和功率密度方面的要求。

Maurizio Di Paolo Emilio, Director of Global Marketing Communications at EPC