功率半導(dǎo)體作為電子裝置電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心元器件，在汽車和工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展?jié)摿薮螅湫枨罅恳哺疂q船高。
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以汽車行業(yè)為例，根據(jù)Strategy Analytics數(shù)據(jù),相較傳統(tǒng)燃油車，純電動(dòng)車中的功率半導(dǎo)體使用量占比高達(dá)55%。除使用量大幅增加外，新能源汽車的單車功率半導(dǎo)體價(jià)值量也在上升，來自英飛凌的一組數(shù)據(jù)顯示，新能源汽車的單車功率半導(dǎo)體價(jià)值量是傳統(tǒng)燃油車的五倍。勢(shì)不可擋的電動(dòng)化趨勢(shì)，量?jī)r(jià)齊升的需求空間，使得功率半導(dǎo)體的重要性愈發(fā)凸顯。
此前，在無錫市舉辦的“2023中國(guó)汽車半導(dǎo)體新生態(tài)論壇”上，中國(guó)工程院院士丁榮軍出席大會(huì)并發(fā)表了《功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用》主題演講，從功率半導(dǎo)體的發(fā)展歷程、功率器件的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用，以及功率半導(dǎo)體未來發(fā)展的技術(shù)趨勢(shì)三大方面進(jìn)行闡述。
功率器件的發(fā)展，推動(dòng)了工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)變革
丁榮軍院士認(rèn)為，功率半導(dǎo)體是“電力、電氣”的CPU，但凡通過能量傳輸，就會(huì)用到功率半導(dǎo)體。從1947 年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的世界上第 1 只鍺基雙極型晶體管開始，微電子工業(yè)時(shí)代就此展開。
在丁榮軍院士看來，全球高鐵的發(fā)展史，亦是一部功率半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)進(jìn)步史。從整流二極管到晶閘管，催生了電力電子技術(shù)；晶閘管的出現(xiàn)推動(dòng)了整流機(jī)車向相控機(jī)車技術(shù)的進(jìn)步；從晶閘管到GTO，實(shí)現(xiàn)了從直流傳動(dòng)到交流傳動(dòng)的技術(shù)升級(jí)；從GTO到IGBT，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字驅(qū)動(dòng)與控制，推動(dòng)了軌道交通高速、重載技術(shù)發(fā)展。
“我們國(guó)家最早的老式機(jī)車實(shí)際上用的就是晶閘管，后面演進(jìn)到二極管，再到如今的IGBT。今天我們看到的高速列車，無論是‘和諧號(hào)’還是‘復(fù)興后’，都是由功率器件的發(fā)展演進(jìn)所誕生的?！倍s軍院士表示。
回顧功率器件的發(fā)展歷程，丁榮軍院士認(rèn)為：“從發(fā)現(xiàn)鍺材料到現(xiàn)在，功率器件的發(fā)展時(shí)間還不到一個(gè)世紀(jì)。但隨著應(yīng)用需求的拉動(dòng)，功率半導(dǎo)體得到了迅猛發(fā)展，使得電子技術(shù)取得革命性的突破，進(jìn)而推動(dòng)了整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)變革?！?/p>
“但與數(shù)字芯片不同，數(shù)字芯片追求的是制程的先進(jìn)性，往往是新產(chǎn)品替代舊產(chǎn)品。而功率半導(dǎo)體中無論是二極管還是IGBT，每種器件都有其不同的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合，因此很難說新器件的出現(xiàn)能夠完全替代其他器件，每種功率器件都有其用武之地?！倍s軍院士表示。
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IGBT是功率半導(dǎo)體器件第三次技術(shù)革命的代表性產(chǎn)品
在丁榮軍院士看來，IGBT是功率半導(dǎo)體器件第三次技術(shù)革命的代表性產(chǎn)品。IGBT的特點(diǎn)是電壓驅(qū)動(dòng)，輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)電流小，開關(guān)頻率較快，耐壓高，應(yīng)用范圍 600V~6500V，可以廣泛應(yīng)用在軌道交通、智能電網(wǎng)、新能源、航空航天、船舶驅(qū)動(dòng)、交流變頻、風(fēng)力發(fā)電、電機(jī)傳動(dòng)、汽車等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。
從需求端看，新能源汽車主要采用750V-1200V IGBT，年需求量超100萬只，呈爆發(fā)式增長(zhǎng)；軌道交通是高壓IGBT最大需求領(lǐng)域，年需求量在30萬只左右；新能源領(lǐng)域風(fēng)電變流器和光伏逆變器主要采用1200V-1700V IGBT M和H模塊，年需求量約50萬只；電網(wǎng)應(yīng)用以3300V焊接和4500V壓接式IGBT為主，年需求量約幾萬只。
對(duì)比國(guó)內(nèi)外功率半導(dǎo)體發(fā)展現(xiàn)狀，丁榮軍院士認(rèn)為，“我國(guó)在晶閘管和IGCT方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的技術(shù)突破；IGBT方面已形成芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測(cè)試完整技術(shù)體系，進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列；第三代半導(dǎo)體材料方面，SiC和GaN技術(shù)進(jìn)步快，但與國(guó)際先進(jìn)水平相比還有差距，主要受制于成本原因。目前SiC器件的價(jià)格仍然是硅器件的4倍左右，僅在一些對(duì)體積和效率要求比較高的場(chǎng)景滲透較快，所以SiC器件亟需降低成本以加速打入更多應(yīng)用場(chǎng)景。”
新材料和新拓?fù)涫枪β势骷磥砑夹g(shù)突破的關(guān)鍵路徑
功率器件技術(shù)的發(fā)展是由“提高性能”和“降低成本”的內(nèi)在需求推動(dòng)的，因此對(duì)于功率半導(dǎo)體未來技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，丁榮軍院士認(rèn)為，隨著Si基材料逐漸逼近其物理極限，摩爾定律接近效能極限，新的材料和新的拓?fù)鋵⑹枪β拾雽?dǎo)體器件未來技術(shù)突破的關(guān)鍵路徑，未來可以從“新材料、新結(jié)構(gòu)、新封裝、智能化”四個(gè)方向著手實(shí)現(xiàn)功率器件的技術(shù)演進(jìn)。
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無錫市集成電路學(xué)會(huì)（Wuxi Integrated Circuit Society，WXICS）注冊(cè)于2023年4月，學(xué)會(huì)是由中國(guó)電科58所、清華大學(xué)無錫應(yīng)用技術(shù)研究院、江蘇集萃集成電路應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心、江南大學(xué)、東南大學(xué)、無錫學(xué)院等高校、院所、骨干企業(yè)與行業(yè)專家聯(lián)合籌備成立，是由無錫市民政局核準(zhǔn)登記的非營(yíng)利性社會(huì)團(tuán)體，業(yè)務(wù)主管單位是無錫市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)。
學(xué)會(huì)以集成電路領(lǐng)域創(chuàng)新需求以及廣大科技工作者成長(zhǎng)需求為導(dǎo)向，搭建學(xué)術(shù)交流、人才培育、科學(xué)研究、科學(xué)普及、業(yè)務(wù)培訓(xùn)等平臺(tái)，開展相關(guān)服務(wù)，彰顯學(xué)會(huì)使命擔(dān)當(dāng)；學(xué)會(huì)將建立產(chǎn)學(xué)研合作聯(lián)動(dòng)體系，依托高校及科研院所進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，依托平臺(tái)機(jī)構(gòu)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)服務(wù)，形成完善的區(qū)域技術(shù)創(chuàng)新體系，助力集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展；通過產(chǎn)教融合加快人才培養(yǎng)與人才集聚，打造區(qū)域人才高地；搭建技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用橋梁，促進(jìn)科研成果轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化，形成產(chǎn)業(yè)化成果；構(gòu)建產(chǎn)、學(xué)、研、用和諧發(fā)展的集成電路產(chǎn)業(yè)生態(tài)，推動(dòng)集成電路的持續(xù)迭代與高質(zhì)量發(fā)展。
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