氮化鎵（GaN）材料具有寬禁帶、高電子遷移率、高熱導率、高擊穿電壓、化學穩(wěn)定性等特點，以及較強的抗輻射、抗高溫、抗高壓能力，這些特性使得氮化鎵在功率半導體器件、光電子器件以及射頻電子器件等領域具有廣闊的應用前景。
目前，功率氮化鎵在消費電子領域應用已漸入佳境，并正在逐步向各類應用場景滲透。整體來看，功率氮化鎵產(chǎn)業(yè)已進入快速發(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，技術和效率顯著提升。
12英寸氮化鎵技術的一大優(yōu)勢是可以利用現(xiàn)有的12英寸硅晶圓制造設備，有利于加快全面規(guī)模化量產(chǎn)并降低產(chǎn)線建設成本。
從產(chǎn)業(yè)化方面來看，消費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、智能手機等領域。
在當前十分火熱的新能源汽車領域，越來越多的氮化鎵相關廠商開始探索氮化鎵車用可能性。其中，車載充電機（OBC）被視為最佳突破點，第一個符合汽車AEC-Q101標準的功率氮化鎵產(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技術的演進，帶動算力需求持續(xù)攀升，CPU/GPU的功耗問題日益顯著。為了應對更高端的AI運算，服務器電源的效能、功率密度必須進一步提高，氮化鎵已成為關鍵解決技術之一。
而在機器人等電機驅(qū)動場景，氮化鎵的應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驅(qū)動領域的應用，并不斷吸引新玩家進入。
從市場規(guī)模來看，TrendForce集邦咨詢認為，功率氮化鎵產(chǎn)業(yè)正處于關鍵的突圍時刻，幾大潛力應用同步推動著產(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（復合年增長率）高達49%。其中非消費類應用比例預計會從2023年的23%上升至2030年的48%，汽車、數(shù)據(jù)中心和電機驅(qū)動等場景為核心。
“助燃”機器人產(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)場仍然是消費電子市場，但未來在汽車、數(shù)據(jù)中心和電機驅(qū)動等場景的應用能見度較高，規(guī)模有望占據(jù)半壁江山。
而在除消費電子之外的各類潛力應用場景中，以電機驅(qū)動為基礎的機器人產(chǎn)業(yè)特別是人形機器人領域是功率氮化鎵當前導入進度較慢但未來有著廣闊應用空間的市場。
根據(jù)TrendForce集邦咨詢最新研究，在2025年各機器人大廠逐步實現(xiàn)量產(chǎn)的前提下，預估2027年全球人形機器人市場產(chǎn)值有望超越20億美元，2024年至2027年間的市場規(guī)模年復合成長率將達154%。
人形機器人市場規(guī)模增長的原因是多方面的，包括科技進步、市場需求、政策支持等。從技術方面來看，機器人的核心系統(tǒng)構成包括傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電機系統(tǒng)以及電池系統(tǒng)。這其中，氮化鎵有非常豐富的應用場景，包括電機控制、激光雷達系統(tǒng)、DC-DC轉(zhuǎn)換器以及電池BMS等。
人形機器人的動力核心是電機與電機驅(qū)動芯片，電機驅(qū)動芯片是電機實現(xiàn)精準高效控制的關鍵，這也是電機驅(qū)動芯片導入氮化鎵技術的最主要原因。氮化鎵技術導入電機驅(qū)動芯片后，為機器人驅(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計。
具體來看，氮化鎵器件的應用，提升了系統(tǒng)整體效率、減輕了重量和體積、延長了機器人使用壽命并增強其在各種工作環(huán)境中的可靠性。
而在激光雷達系統(tǒng)中，使用氮化鎵器件與使用傳統(tǒng)的硅器件相比，展現(xiàn)出了更快的響應速度和更低的功耗，使得雷達系統(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器人的運動、感官等重要零部件發(fā)揮作用，推動機器人的普及應用。
部分功率器件大廠進軍機器人領域
在機器人產(chǎn)業(yè)氮化鎵應用需求驅(qū)動下，TI、EPC、納微、東漸氮化鎵等企業(yè)圍繞機器人應用開始了在氮化鎵業(yè)務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集成式伺服驅(qū)動器和機器人應用的48V、850W小型三相氮化鎵逆變器參考設計TIDA-010936。同月，東漸氮化鎵與海神機器人簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，共同研發(fā)新一代高性能芯片，以推進智慧物業(yè)管理機器人場景應用。
8月在PCIM Asia 2024展會上，EPC展示了一款人形機器人樣品。該機器人中的一些關節(jié)組件采用了氮化鎵技術。
10月，納微半導體正式發(fā)布了新一代高度集成的氮化鎵功率芯片GaNSlim系列，納微開啟進入48V AI數(shù)據(jù)中心、電動汽車和機器人市場。
此外，今年國內(nèi)也有一起工業(yè)機器人搭載氮化鎵技術的案例落地——新工綠氫在年初推出自主研發(fā)設計的“天工一號”自動駕駛充電機器人。
總結
盡管目前已有不少氮化鎵相關廠商涉足機器人領域，但短期內(nèi)氮化鎵技術在機器人場景的應用仍然面臨挑戰(zhàn)。
相較于傳統(tǒng)的硅基半導體材料，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，是氮化鎵市場應用當前面臨的挑戰(zhàn)之一；此外，如何提高氮化鎵器件的穩(wěn)定性和壽命，確保其在實際應用中的可靠性，也是當前研究的重點。
隨著成本的進一步下探以及可靠性持續(xù)提升，氮化鎵技術將向AI數(shù)據(jù)中心、電動汽車、機器人等要求更嚴苛的領域進一步滲透。
長遠來看，機器人特別是人形機器人的大規(guī)模應用，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：集邦化合物半導體Zac）
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