功率芯片是什么？

近年來，我國已成為全球發電量第一的大國。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到消耗的過程中都要經過電壓、電流、頻率等參數的轉換以后才能供設備使用。而電能的轉換本質是利用功率芯片的開關作用，實現弱電對強電的控制，對電能（功率）進行處理。

圖1 2021年世界各國發電量排名

日益嚴重的能源和環境問題使得我們對電能變換的效率、頻率越來越關注。在這一背景下，功率半導體芯片的應用范圍也得到了急劇的擴大。仔細觀察一下就會發現，功率芯片幾乎無處不在，大到機車牽引、船舶推進及風力發電、太陽能發電等新能源系統，小到手機、洗衣機、冰箱、空調等家電，功率芯片都在其中起到關鍵的控制作用。

圖2 功率芯片在新能源汽車中的應用

我們每天使用的智能手機也包含大量功率芯片，然而我們拿到手機卻看不到任何的芯片，這是因為芯片包含在集成電路的內部。手機內部存在多個電路板，電路板上有若干黑色方塊，稱之為集成電路。數量龐大的集成電路才構成了手機多樣的功能。集成電路既常說的芯片的學名。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中的應用

芯片是通過半導體搭建而成的龐大冗雜的系統，它由數以億計個晶體管構成。晶體管極其微小，無法通過肉眼觀察內部結構，只能由外部測試來推演其工作機理。為了分析晶體管的工作機理，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，大壩內部存在發電機。當我們控制閘門開啟時，水流將促使發電機發電。通常在閘門上有控制系統，用來控制閘門的關閉和開啟，從而決定大壩發電機的發電與否。與發電機功率相比，控制系統功率較小，用小功率控制系統控制閘門的開關過程，使發電機發電。水流速度越高，發電機的發電量越大。因此該控制系統實現了“以小控大”的作用。

當閘門全部打開時，水流經過發電機從而發電，我們用ON來代表。當閘門全部關閉時，沒有水流，發電機不能發電，我們用OFF來代表。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，它可以用弱電對強電進行控制。

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(下文簡稱功率器件)和功率集成電路(下文簡稱功率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)，它們被廣泛運用于新能源產業和日常家電。功率IC是指將功率器件控制電路、外圍接口電路及保護電路等集成在同一芯片及在此基礎上集成功率器件的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和體積等特性。我們在實際使用中，針對不同應用場景對應的功率和頻率，各領域產品應使用相應的功率芯片。如圖6所示為例，功率MOSFET因其開關高頻、低損耗特性，主要應用于手機、PC、車載、照明、TV等領域。IGBT因其耐壓高、開關速度快特性，主要應用于變頻家電、新能源汽車、工業領域。隨著技術的不斷進步，功率半導體器件也在不斷發展。自20世紀80年代以來，功率半導體器件MOSFET、IGBT和功率集成電路已逐漸成為主流應用類型。同時，碳化硅(SiC)基和氮化鎵(GaN)基等使用第三代半導體材料的功率芯片近年來發展迅速。

圖6 功率芯片應用領域

功率芯片為什么是我國半導體產業崛起的突破口？

在半導體產業界，一直遵循著名的摩爾定律。該定律在1965年由戈登·摩爾提出，他預測到芯片的集成度大概每過一年翻一番。過了將近六十年的時間，人們在回顧半導體產業的發展時，驚奇地發現摩爾預測的非常準確。于是，人們產生了另外一個疑問，我們應該用什么樣的方法延續芯片的發展速度，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現摩爾定律。提到摩爾定律，我們需要記住：每代工藝與上一代相比，在面積不變的情況下，晶體管的數量翻一番；或者說在晶體管數量不變的情況下，面積可以縮小到原來的二分之一。按照這樣的發展速度，每18個月它的集成度就要翻一番。因此它是2的N次方的發展速度。從圖7中我們可以看到在16納米的時候，我們可以在一個平方毫米的面積上集成大概400多萬個邏輯門，約1500萬個晶體管。而到了5納米時，我們可以在一個平方毫米的面積上集成2800萬個邏輯門，約1億多個晶體管！

圖7 芯片中的晶體管密度指數上升

而我們國家半導體產業主要受限于14納米以下芯片制造環節。長期以來，摩爾定律的延續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，性能也更加優越。目前國外先進芯片廠商已進行3nm芯片制程工藝研究，而我們國家最先進的芯片制程和技術卻停留在14nm的FinFET技術，與國外差距較大且短時間內難以彌補。拋開美國等國家對我國的技術封鎖不談，先進芯片制程的投入也十分巨大。據公開市場的數據，3nm芯片的設計費用約達5-15億美元，興建一條3nm產線的成本高達150-200億美元！

而功率芯片的制備卻不需要很小的線程，一般來講，0.18um（180nm）是功率器件常用的制造線程。國外功率芯片廠商最先進的芯片制程也只有65nm，而我們國家所產出的滿足軌道交通應用的IGBT芯片也只是0.35um（350nm），這同手機芯片用到的最先進的制程相比，功率芯片制備難度也小很多。因為功率芯片制程相對較大，制造技術相對較老，受到美國等國家卡脖子的地方更小。因此，從制造方面來講，我們國家芯片廠商也可以制造時下最先進的功率芯片。

來源：半導體功率生態圈

審核編輯：湯梓紅