上市首日估值10亿美元,纳微半导体凭什么?

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2021-11-25 09:20

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微半导体今年10月20日在纳斯达克上市,上市当天的企业价值超过10亿美元。这是首家专注于集成式氮化镓功率芯片业务的上市公司,不由发问,纳微半导体凭什么?

入局GaN赛道


首先看纳微所处的氮化镓GaN赛道,早在20年前,GaN这种材料就出现了,最近这几年GaN通过自身优化、产能的提升、成本的控制,慢慢地落地到消费和工业类的应用中。

而且GaN凭借诸多优良特性有望在电力应用中取代硅。相比传统硅,GaN的开关速度比硅快20倍,体积和重量轻3倍,在某一些系统里可以节能40%左右,这对于实现国家的碳中和目标很有助益。它的功率密度可以提升3倍,充电速度也提升3倍以上。同样的体积,同样的充电速度,用硅的方案来做成本非常贵,利用GaN,系统待机可节约20%左右。

现在使用GaN快速充电器的移动设备逐渐增多,创造了数十亿美元的GaN芯片投资机会。尤其是手机充电,现在手机更大的显示屏幕和电池需要更多的电力,GaN优势是能大幅提升充电器的功率,消费者仅用很短的时间,就可把手机电池充满,多头充电器是非常大的市场。充电器孕育了超过25亿美元的GaN芯片投资机会,其中墙插式充电器年出货量达25亿颗,每个充电器的GaN芯片超过1美元,并随着时间的推移不断增加。

强大的团队实力


再来看纳微的团队实力,2013年,Gene Sheridan、Dan Kinzer及Jason Zhang共同创立了纳微半导体。这3位创始人已携手合作逾30年,而且参与了超过20代功率半导体的研发。他们把以往的工作经验带到纳微,目前公司已经拿到专利总共超过200多件。


中国是当前第三代功率器件的重要市场,纳微自然很看重中国市场。纳微中国整个团队大约有60多人,中国大陆拥有超过纳微全球40%的成员。而且公司70%以上的营收部分,也都来自中国大陆。

因为GaN是新的器件,当然会带来全新的设计,所以,纳微在中国成立了非常强大的AE团队。2018年纳微在深圳成立首个应用和销售中心,同年在杭州成立 GaNFast TM 应用设计中心,这是纳微的数据中心和服务器设计团队,已经开始打造的第一款服务器的产品;2019 年在上海成立 GaNFast TM 功率芯片设计中心,从GaN功率芯片向GaN功率专用芯片迈进,正在招聘EV团队。

来自这些地区的AE团队将从客户的需求的定制、讨论,到原理图的绘制,整个布版的设计,到结构的装配性,一直到EVT就是电器性能样机测试,到最后分析,整个详细设计阶段EMI的调试,一直到小批量的试产,中批量的试产,到大批量的量产,纳微都提供全程的服务。

对生产的把控


纳微在GaN领域20多年的经验解决了GaN在制造、可靠性、材料、产量、成本各方面的复杂问题。这离不开对生产伙伴的选择。在晶圆代工厂方面,纳微主要在台积电的2号工厂里生产,2号工厂可谓是世界级、低成本的晶圆代工厂;在封装部分,纳微采用全球前三名的封装厂商,将品质控制做到零故障。公司芯片的良率高达90%,而且交货周期仅为12周左右。现在纳微已出货三千万个GaN功率芯片,且没有任何关于纳微GaN功率芯片的现场故障报告。

在其芯片的采用客户中,小米、OPPO、联想、DELL等知名企业都是纳微的客户,目前纳微已经量产了140多个GaN充电器项目,未来一年中还有150多个正在开发的GaN充电器项目。全球有90%+的可携式品牌商使用纳微的GaN芯片。

过硬的技术实力


在GaN技术层面,目前功率GaN主要以两个流派在发展,一个是dMode常开型的,另外一个eMode常关型。常开型的GaN功率器件需要额外的硅 FET“级联”配置,常关型的需要特殊的栅极驱动器来驱动。纳微代表的是后者。但相比于传统的常关型的GaN功率器件,纳微又进一步做了集成,这包括驱动、保护和控制的集成。

那么GaN功率芯片集成以后带来什么好处呢?据纳微半导体高级应用总监黄秀成的解释,首先,传统的分立硅器件参数不够优异,它的开关速率、开关频率都受到极大的限制,通常我们看到基于硅器件的电源系统设置都是在60kHz到100kHz的开关频率范围,导致的结果是什么?因为开关比率比较低,它的储能元件,相对电感电容用的尺寸比较大,电源的功率密度会相对比较低,业界通常的功率密度是小于0.5W/cc。其次,分立式GaN因为受限于驱动的线路的复杂性,如果没有把驱动集成到功率器件里,受限于外部器件的布局、布线参数的影响,开关频率没有发挥到GaN本来发挥到的高度。所以,相比于普通的硅器件大概只有2到3倍开关频率的提升,可想而知功率密度的提升也是相对比较有限的。

黄秀成进一步介绍到,纳微的功率GaN器件,集成了控制、驱动和保护在里面,就可以不依赖于外部集成参数影响,开关频率可以充分地释放,目前纳微主流的开关频率在电源适配器可达到300kHz和400kHz,在模块电源已经有客户设计到了MHz。所以,经过集成的方案之后,开关频率、开关速度的潜能被释放,我们设计出来的功率密度比传统的硅或者分立式的GaN高了好多,目前我们有好多案例远远大于1W/cc的数字。


目前纳微的GaN产品在市面上主流的系列是GaNFast TM 系列,GaNFast就是把驱动控制和保护做在功率器件上面。它采用的是一种QFN封装,大体布局和传统的硅和分立式的区别并不大,有漏极、源极、PWM,还额外有三个和控制驱动相关的。首先,因为这是一个功率芯片,Vcc供电也是必需的,它的供电范围很宽,在10V-30V之间。其次,纳微在外部用了一个稳压管来产生内部基准电压,它可以把宽范围的Vcc调整成内部真正需要驱动GaN功率器件的母线电压。另外,PWM信号内部做了很多防噪声处理。相比于传统的硅,或者分立式的GaN,里面有很多保护,包括UVLO在系统上Vcc未达到某一定值之前,整个功率芯片是锁定状态,可以有效的避免功率器件在某些异常条件下工作失效等等。


在GaNFast TM 基础上,纳微利用最新的GaNSense TM 技术又做了性能的提升,主要体现在 无损可编程的电流采样、智能待机、人体的ESD、过温过流保护 ,这些都完美集成在GaNSense TM 系列里面。

具体来看,无损电流采样可达到灵活、高效、准确的好处。因为无损采样代替了原来采样电阻功能,完全把采样电阻损耗节省下来,功率回路里面的通态损耗也会减半,使能效增加至多0.5%。另外,通过内部集成节省了PCB布局面积(>30mm 2 )。再者,移除了发热元件,减少了热耦合。

GaNSense TM 无损采样方案

过流保护是基于采样信号,在内部设定一个过流的阈值,它的触碰时间相比之前的GaNFast TM 系列,节省了200纳秒,反应时间远远小于100纳秒,节省出来200纳秒就可以避免系统因为异常情况,比如说像短路、过功率等等,造成变压器的电流急剧上升的情况。而且当电流信号触碰到内部的阈值之后,不管外部的PWM信号如何,都能够保护系统里面串联的电流不会扩充,超过阈值,直到PMW关断,PWM控制器出来还是比较完整的信号。

过温保护对于功率器件的保护也是非常重要。黄秀成介绍到,纳微将温度阈值设定在160度,超过这个温度,直接把芯片关掉,芯片会自然冷却,到低于100度的时候,再去参考PWM信号,有信号就继续工作。如此进行智能过温保护。

现在很多OEM、ODM工厂都会要求待机做到30毫瓦,早期系列的GaNFast静态电流在700微安或1毫安,虽然电流已经很小,但还是在待机时把VCC切断,这样会相对复杂些。GaNSense TM 技术则更加完善,它会智能检测PWM信号,自主进入待机模式,而且其唤醒速度也非常快,当第一次出现脉冲的时候,30纳秒就可以马上进入正常工作模式,使待机功耗降低了20%左右。

GaNSenseTM技术的智能待机原理

所以,综合来看,GaNSense TM 技术集成了关键、实时、智能的传感和保护电路,进一步提高了纳微半导体在功率半导体行业领先的可靠性和稳健性,同时增加了纳微GaN功率芯片技术的节能和快充优势。

采用 GaNSense TM 技术的新一代纳微 GaNFast TM 功率芯片有十个型号,他们都集成了GaN功率器件、GaN驱动、控制和保护的核心技术,所有产品的额定电压为650V/800V,具有2kV ESD保护。新的GaNFast TM 功率芯片的RDS(ON)范围为120至450毫欧,采用5 x 6 mm或6 x 8 mm PQFN封装,具有GaNSense TM 保护电路和无损电流感应。这些都是移动和消费市场内流行的提供最快、最高效和最小的充电器和适配器的技术方法。


GaNSense TM 技术已被用于部分一线消费电子品牌的GaN充电器上。采用GaNSense TM 技术的新一代GaNFastGaN TM 功率芯片已开始批量生产,并可立即供货。

前瞻性的市场洞察


对市场的洞见也是纳微半导体接下来发展的长远之道。据纳微半导体销售营运总监李铭钊的介绍,除了充电器之外, 平面电视,游戏机,平板,这些都是纳微关注的消费类产 品,因为这些产品期望做到更小更轻,这些智能家居每年约有6亿个产品,每个产品超过3亿美元的潜在GaN芯片,大约每年有20亿美金左右的市场机会。另外一个巨大的市场是 数据中心 ,纳微估计,利用GaN一年可以节省超过15 TWh或19亿美元左右的电费。再一个应用场景就是 太阳能 ,采用GaN可以缩减微型逆变器的尺寸、重量和成本,最高节能40%。住宅太阳能GaN的芯片机会每年总值将大于10亿美元。通过提升效率,可以把太阳能的逆变器放在家里非常小的地方,消费者可以用到更便宜的电力。

GaN在消费品中的应用

数据中心采用GaN
领先的太阳能厂商有望在下一代逆变器和存储中采用GaN芯片

电动汽车 自然也是纳微关注的领域。目前汽车的OBC产线主要使用硅和碳化硅,但GaN能使我们的产品得到进一步的提升。GaN能使汽车的充电速度提高3倍。为了达到更长的行驶里程,GaN可以使电力电子设备节能70%,延长5%的行驶里程, 或降低 5% 的电池成本。到2025年,汽车车载充电器约50美元, DC-DC逆变器约为15 美元,动力方面约200美元,也就是每辆纯电动汽车的潜在GaN芯片的潜在市场总空间将超过250美元。

电动汽车中的GaN机会

GaN芯片是实现碳排放、碳中和非常重要的手段,每出货一个GaN功率芯片,生产制造过程和硅芯片相比可以减少4公斤的二氧化碳排放,到2050年GaN每年将有望解决26亿吨碳排放量。纳微GaN芯片的组成部分在制造过程中的二氧化碳排放量比硅低4到10倍,充电器的二氧化碳排放量减少28%,氮化镓如果在电动汽车行业得到广泛采用,还可以让电动车的市场普及提前3年到来,到2050年节省20%的道路排放量。

结语


处于这样一个充满潜力的GaN赛道,拥有成熟的、经验丰富的管理团队和强大的AE支持,配以实力雄厚的晶圆代工厂和封测厂对生产的把关,再加上对市场的前瞻性关注,纳微半导体10亿美元的估值名副其实。


*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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