氮化鎵（GaN）材料具有寬禁帶、高電子遷移率、高熱導(dǎo)率、高擊穿電壓、化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，以及較強(qiáng)的抗輻射、抗高溫、抗高壓能力，這些特性使得氮化鎵在功率半導(dǎo)體器件、光電子器件以及射頻電子器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
目前，功率氮化鎵在消費(fèi)電子領(lǐng)域應(yīng)用已漸入佳境，并正在逐步向各類應(yīng)用場景滲透。整體來看，功率氮化鎵產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入快速發(fā)展階段。
功率氮化鎵產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀淺析
從技術(shù)方面來看，9月11日英飛凌宣布，其已成功開發(fā)出全球首款12英寸功率氮化鎵晶圓。英飛凌表示，12英寸晶圓與8英寸晶圓相比，每片能多生產(chǎn)2.3倍數(shù)量的芯片，技術(shù)和效率顯著提升。
12英寸氮化鎵技術(shù)的一大優(yōu)勢是可以利用現(xiàn)有的12英寸硅晶圓制造設(shè)備，有利于加快全面規(guī)模化量產(chǎn)并降低產(chǎn)線建設(shè)成本。
從產(chǎn)業(yè)化方面來看，消費(fèi)電子仍然是功率氮化鎵產(chǎn)業(yè)的主戰(zhàn)場，并由快速充電器迅速延伸至家電、智能手機(jī)等領(lǐng)域。
在當(dāng)前十分火熱的新能源汽車領(lǐng)域，越來越多的氮化鎵相關(guān)廠商開始探索氮化鎵車用可能性。其中，車載充電機(jī)（OBC）被視為最佳突破點(diǎn)，第一個符合汽車AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)的功率氮化鎵產(chǎn)品在2017年發(fā)布，截至目前，已有多家廠商推出豐富的汽車級產(chǎn)品。
AI技術(shù)的演進(jìn)，帶動算力需求持續(xù)攀升，CPU/GPU的功耗問題日益顯著。為了應(yīng)對更高端的AI運(yùn)算，服務(wù)器電源的效能、功率密度必須進(jìn)一步提高，氮化鎵已成為關(guān)鍵解決技術(shù)之一。
而在機(jī)器人等電機(jī)驅(qū)動場景，氮化鎵的應(yīng)用潛力也正在逐漸浮現(xiàn)。TI、EPC等持續(xù)推動著氮化鎵于電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域的應(yīng)用，并不斷吸引新玩家進(jìn)入。
從市場規(guī)模來看，TrendForce集邦咨詢認(rèn)為，功率氮化鎵產(chǎn)業(yè)正處于關(guān)鍵的突圍時刻，幾大潛力應(yīng)用同步推動著產(chǎn)業(yè)規(guī)模加速成長。
根據(jù)TrendForce集邦咨詢最新《2024全球GaN Power Device市場分析報告》顯示，2023年全球氮化鎵功率元件市場規(guī)模約2.71億美元，至2030年有望上升至43.76億美元，CAGR（復(fù)合年增長率）高達(dá)49%。其中非消費(fèi)類應(yīng)用比例預(yù)計會從2023年的23%上升至2030年的48%，汽車、數(shù)據(jù)中心和電機(jī)驅(qū)動等場景為核心。
“助燃”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，為什么是氮化鎵？
從氮化鎵功率器件市場規(guī)模數(shù)據(jù)不難看出，盡管目前功率氮化鎵的主戰(zhàn)場仍然是消費(fèi)電子市場，但未來在汽車、數(shù)據(jù)中心和電機(jī)驅(qū)動等場景的應(yīng)用能見度較高，規(guī)模有望占據(jù)半壁江山。
而在除消費(fèi)電子之外的各類潛力應(yīng)用場景中，以電機(jī)驅(qū)動為基礎(chǔ)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)特別是人形機(jī)器人領(lǐng)域是功率氮化鎵當(dāng)前導(dǎo)入進(jìn)度較慢但未來有著廣闊應(yīng)用空間的市場。
根據(jù)TrendForce集邦咨詢最新研究，在2025年各機(jī)器人大廠逐步實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的前提下，預(yù)估2027年全球人形機(jī)器人市場產(chǎn)值有望超越20億美元，2024年至2027年間的市場規(guī)模年復(fù)合成長率將達(dá)154%。
人形機(jī)器人市場規(guī)模增長的原因是多方面的，包括科技進(jìn)步、市場需求、政策支持等。從技術(shù)方面來看，機(jī)器人的核心系統(tǒng)構(gòu)成包括傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)以及電池系統(tǒng)。這其中，氮化鎵有非常豐富的應(yīng)用場景，包括電機(jī)控制、激光雷達(dá)系統(tǒng)、DC-DC轉(zhuǎn)換器以及電池BMS等。
人形機(jī)器人的動力核心是電機(jī)與電機(jī)驅(qū)動芯片，電機(jī)驅(qū)動芯片是電機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效控制的關(guān)鍵，這也是電機(jī)驅(qū)動芯片導(dǎo)入氮化鎵技術(shù)的最主要原因。氮化鎵技術(shù)導(dǎo)入電機(jī)驅(qū)動芯片后，為機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)提供了更高的能效比、更優(yōu)的熱管理和更合理化的設(shè)計。
具體來看，氮化鎵器件的應(yīng)用，提升了系統(tǒng)整體效率、減輕了重量和體積、延長了機(jī)器人使用壽命并增強(qiáng)其在各種工作環(huán)境中的可靠性。
而在激光雷達(dá)系統(tǒng)中，使用氮化鎵器件與使用傳統(tǒng)的硅器件相比，展現(xiàn)出了更快的響應(yīng)速度和更低的功耗，使得雷達(dá)系統(tǒng)能夠以更窄的脈沖寬度、更大的峰值電流和更高的功率運(yùn)行，從而顯著提升圖像的分辨率和系統(tǒng)的整體表現(xiàn)。
整體來看，氮化鎵功率器件正在機(jī)器人的運(yùn)動、感官等重要零部件發(fā)揮作用，推動機(jī)器人的普及應(yīng)用。
部分功率器件大廠進(jìn)軍機(jī)器人領(lǐng)域
在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)氮化鎵應(yīng)用需求驅(qū)動下，TI、EPC、納微、東漸氮化鎵等企業(yè)圍繞機(jī)器人應(yīng)用開始了在氮化鎵業(yè)務(wù)方面的新一輪群雄逐鹿，并各自取得了一定的成果。
TI在今年7月推出了適用于電機(jī)集成式伺服驅(qū)動器和機(jī)器人應(yīng)用的48V、850W小型三相氮化鎵逆變器參考設(shè)計TIDA-010936。同月，東漸氮化鎵與海神機(jī)器人簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，共同研發(fā)新一代高性能芯片，以推進(jìn)智慧物業(yè)管理機(jī)器人場景應(yīng)用。
8月在PCIM Asia 2024展會上，EPC展示了一款人形機(jī)器人樣品。該機(jī)器人中的一些關(guān)節(jié)組件采用了氮化鎵技術(shù)。
10月，納微半導(dǎo)體正式發(fā)布了新一代高度集成的氮化鎵功率芯片GaNSlim系列，納微開啟進(jìn)入48V AI數(shù)據(jù)中心、電動汽車和機(jī)器人市場。
此外，今年國內(nèi)也有一起工業(yè)機(jī)器人搭載氮化鎵技術(shù)的案例落地——新工綠氫在年初推出自主研發(fā)設(shè)計的“天工一號”自動駕駛充電機(jī)器人。
總結(jié)
盡管目前已有不少氮化鎵相關(guān)廠商涉足機(jī)器人領(lǐng)域，但短期內(nèi)氮化鎵技術(shù)在機(jī)器人場景的應(yīng)用仍然面臨挑戰(zhàn)。
相較于傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體材料，氮化鎵的制備成本較高，這主要是由于其制備過程需要昂貴的原材料和設(shè)備，以及較高的能耗。如何降低氮化鎵的制備成本，提高其市場競爭力，是氮化鎵市場應(yīng)用當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)之一；此外，如何提高氮化鎵器件的穩(wěn)定性和壽命，確保其在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性，也是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。
隨著成本的進(jìn)一步下探以及可靠性持續(xù)提升，氮化鎵技術(shù)將向AI數(shù)據(jù)中心、電動汽車、機(jī)器人等要求更嚴(yán)苛的領(lǐng)域進(jìn)一步滲透。
長遠(yuǎn)來看，機(jī)器人特別是人形機(jī)器人的大規(guī)模應(yīng)用，將使人們的生活更加便捷和舒適，未來發(fā)展?jié)摿薮?，前景是光明的。隨著人形機(jī)器人市場規(guī)模的持續(xù)增長，氮化鎵產(chǎn)業(yè)有望吃到又一波紅利。（文：集邦化合物半導(dǎo)體Zac）
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