功率芯片是什么？

近年來(lái)，我國(guó)已成為全球發(fā)電量第一的大國(guó)。電能一直是人類消耗的最大能源，是目前最為重要的一種能源形式之一。為滿足發(fā)電，輸電和用電的各種不同要求需求，幾乎所有的電能從生產(chǎn)到消耗的過(guò)程中都要經(jīng)過(guò)電壓、電流、頻率等參數(shù)的轉(zhuǎn)換以后才能供設(shè)備使用。而電能的轉(zhuǎn)換本質(zhì)是利用功率芯片的開關(guān)作用，實(shí)現(xiàn)弱電對(duì)強(qiáng)電的控制，對(duì)電能（功率）進(jìn)行處理。

圖1 2021年世界各國(guó)發(fā)電量排名

日益嚴(yán)重的能源和環(huán)境問(wèn)題使得我們對(duì)電能變換的效率、頻率越來(lái)越關(guān)注。在這一背景下，功率半導(dǎo)體芯片的應(yīng)用范圍也得到了急劇的擴(kuò)大。仔細(xì)觀察一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)，功率芯片幾乎無(wú)處不在，大到機(jī)車牽引、船舶推進(jìn)及風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等新能源系統(tǒng)，小到手機(jī)、洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)等家電，功率芯片都在其中起到關(guān)鍵的控制作用。

圖2 功率芯片在新能源汽車中的應(yīng)用

我們每天使用的智能手機(jī)也包含大量功率芯片，然而我們拿到手機(jī)卻看不到任何的芯片，這是因?yàn)樾酒?a href="http://www.delux-kingway.cn/v/tag/123/" target="_blank">集成電路的內(nèi)部。手機(jī)內(nèi)部存在多個(gè)電路板，電路板上有若干黑色方塊，稱之為集成電路。數(shù)量龐大的集成電路才構(gòu)成了手機(jī)多樣的功能。集成電路既常說(shuō)的芯片的學(xué)名。但是，集成電路并不等同于芯片。我們將圖3中集成電路的黑色封裝材料去除后，才能看到真正的芯片（圖3右上方）。

圖3 功率芯片在智能手機(jī)中的應(yīng)用

芯片是通過(guò)半導(dǎo)體搭建而成的龐大冗雜的系統(tǒng)，它由數(shù)以億計(jì)個(gè)晶體管構(gòu)成。晶體管極其微小，無(wú)法通過(guò)肉眼觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只能由外部測(cè)試來(lái)推演其工作機(jī)理。為了分析晶體管的工作機(jī)理，我們將芯片類比為三峽大壩水電站。三峽水電站存在大壩，大壩上存在閘門，大壩內(nèi)部存在發(fā)電機(jī)。當(dāng)我們控制閘門開啟時(shí)，水流將促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。通常在閘門上有控制系統(tǒng)，用來(lái)控制閘門的關(guān)閉和開啟，從而決定大壩發(fā)電機(jī)的發(fā)電與否。與發(fā)電機(jī)功率相比，控制系統(tǒng)功率較小，用小功率控制系統(tǒng)控制閘門的開關(guān)過(guò)程，使發(fā)電機(jī)發(fā)電。水流速度越高，發(fā)電機(jī)的發(fā)電量越大。因此該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“以小控大”的作用。

當(dāng)閘門全部打開時(shí)，水流經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)從而發(fā)電，我們用ON來(lái)代表。當(dāng)閘門全部關(guān)閉時(shí)，沒(méi)有水流，發(fā)電機(jī)不能發(fā)電，我們用OFF來(lái)代表。而晶體管工作原理就與該三峽大壩水電站工作原理相類似，它可以用弱電對(duì)強(qiáng)電進(jìn)行控制。

圖4 晶體管的工作原理

功率芯片有哪些？

我們可以按集成度將功率芯片分為功率分立器件(下文簡(jiǎn)稱功率器件)和功率集成電路(下文簡(jiǎn)稱功率IC)，如圖5所示。功率器件包含二極管、晶體管和晶閘管，其中晶體管包含目前較為火熱的功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)和IGBT(Insulated Gate Bipolar Translator)，它們被廣泛運(yùn)用于新能源產(chǎn)業(yè)和日常家電。功率IC是指將功率器件控制電路、外圍接口電路及保護(hù)電路等集成在同一芯片及在此基礎(chǔ)上集成功率器件的IC。

圖5 功率芯片分類

不同的功率芯片具有不同的電壓電流等級(jí)和體積等特性。我們?cè)趯?shí)際使用中，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的功率和頻率，各領(lǐng)域產(chǎn)品應(yīng)使用相應(yīng)的功率芯片。如圖6所示為例，功率MOSFET因其開關(guān)高頻、低損耗特性，主要應(yīng)用于手機(jī)、PC、車載、照明、TV等領(lǐng)域。IGBT因其耐壓高、開關(guān)速度快特性，主要應(yīng)用于變頻家電、新能源汽車、工業(yè)領(lǐng)域。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，功率半導(dǎo)體器件也在不斷發(fā)展。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，功率半導(dǎo)體器件MOSFET、IGBT和功率集成電路已逐漸成為主流應(yīng)用類型。同時(shí)，碳化硅(SiC)基和氮化鎵(GaN)基等使用第三代半導(dǎo)體材料的功率芯片近年來(lái)發(fā)展迅速。

圖6 功率芯片應(yīng)用領(lǐng)域

功率芯片為什么是我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)崛起的突破口？

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界，一直遵循著名的摩爾定律。該定律在1965年由戈登·摩爾提出，他預(yù)測(cè)到芯片的集成度大概每過(guò)一年翻一番。過(guò)了將近六十年的時(shí)間，人們?cè)诨仡櫚雽?dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展時(shí)，驚奇地發(fā)現(xiàn)摩爾預(yù)測(cè)的非常準(zhǔn)確。于是，人們產(chǎn)生了另外一個(gè)疑問(wèn)，我們應(yīng)該用什么樣的方法延續(xù)芯片的發(fā)展速度，每年都能讓集成度翻番。

在1974年，羅伯特·登納德提出了等比例縮小法則，該方法講的就是如何去實(shí)現(xiàn)摩爾定律。提到摩爾定律，我們需要記?。好看に嚺c上一代相比，在面積不變的情況下，晶體管的數(shù)量翻一番；或者說(shuō)在晶體管數(shù)量不變的情況下，面積可以縮小到原來(lái)的二分之一。按照這樣的發(fā)展速度，每18個(gè)月它的集成度就要翻一番。因此它是2的N次方的發(fā)展速度。從圖7中我們可以看到在16納米的時(shí)候，我們可以在一個(gè)平方毫米的面積上集成大概400多萬(wàn)個(gè)邏輯門，約1500萬(wàn)個(gè)晶體管。而到了5納米時(shí)，我們可以在一個(gè)平方毫米的面積上集成2800萬(wàn)個(gè)邏輯門，約1億多個(gè)晶體管！

圖7 芯片中的晶體管密度指數(shù)上升

而我們國(guó)家半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)主要受限于14納米以下芯片制造環(huán)節(jié)。長(zhǎng)期以來(lái)，摩爾定律的延續(xù)依賴于芯片制程的縮小。芯片制程的縮小及主要代表器件、方向如圖8所示。

圖8 芯片線程的發(fā)展及主要代表器件

一般而言，芯片制程越小，芯片的集成度越高，性能也更加優(yōu)越。目前國(guó)外先進(jìn)芯片廠商已進(jìn)行3nm芯片制程工藝研究，而我們國(guó)家最先進(jìn)的芯片制程和技術(shù)卻停留在14nm的FinFET技術(shù)，與國(guó)外差距較大且短時(shí)間內(nèi)難以彌補(bǔ)。拋開美國(guó)等國(guó)家對(duì)我國(guó)的技術(shù)封鎖不談，先進(jìn)芯片制程的投入也十分巨大。據(jù)公開市場(chǎng)的數(shù)據(jù)，3nm芯片的設(shè)計(jì)費(fèi)用約達(dá)5-15億美元，興建一條3nm產(chǎn)線的成本高達(dá)150-200億美元！

而功率芯片的制備卻不需要很小的線程，一般來(lái)講，0.18um（180nm）是功率器件常用的制造線程。國(guó)外功率芯片廠商最先進(jìn)的芯片制程也只有65nm，而我們國(guó)家所產(chǎn)出的滿足軌道交通應(yīng)用的IGBT芯片也只是0.35um（350nm），這同手機(jī)芯片用到的最先進(jìn)的制程相比，功率芯片制備難度也小很多。因?yàn)楣β市酒瞥滔鄬?duì)較大，制造技術(shù)相對(duì)較老，受到美國(guó)等國(guó)家卡脖子的地方更小。因此，從制造方面來(lái)講，我們國(guó)家芯片廠商也可以制造時(shí)下最先進(jìn)的功率芯片。

來(lái)源：半導(dǎo)體功率生態(tài)圈

審核編輯：湯梓紅