新材料和新拓撲是功率器件未來技術突破的關鍵路徑
發(fā)布時間：
2023-09-20
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功率半導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)領域發(fā)展?jié)摿薮螅湫枨罅恳哺疂q船高。
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，純電動車中的功率半導體使用量占比高達55%。除使用量大幅增加外，新能源汽車的單車功率半導體價值量也在上升，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體價值量是傳統(tǒng)燃油車的五倍。勢不可擋的電動化趨勢，量價齊升的需求空間，使得功率半導體的重要性愈發(fā)凸顯。
此前，在無錫市舉辦的“2023中國汽車半導體新生態(tài)論壇”上，中國工程院院士丁榮軍出席大會并發(fā)表了《功率半導體技術的發(fā)展及應用》主題演講，從功率半導體的發(fā)展歷程、功率器件的技術特點和應用，以及功率半導體未來發(fā)展的技術趨勢三大方面進行闡述。
功率器件的發(fā)展，推動了工業(yè)領域的產(chǎn)業(yè)變革
丁榮軍院士認為，功率半導體是“電力、電氣”的CPU，但凡通過能量傳輸，就會用到功率半導體。從1947 年美國貝爾實驗室發(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，亦是一部功率半導體技術創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)進步史。從整流二極管到晶閘管，催生了電力電子技術；晶閘管的出現(xiàn)推動了整流機車向相控機車技術的進步；從晶閘管到GTO，實現(xiàn)了從直流傳動到交流傳動的技術升級；從GTO到IGBT，實現(xiàn)了數(shù)字驅(qū)動與控制，推動了軌道交通高速、重載技術發(fā)展。
“我們國家最早的老式機車實際上用的就是晶閘管，后面演進到二極管，再到如今的IGBT。今天我們看到的高速列車，無論是‘和諧號’還是‘復興后’，都是由功率器件的發(fā)展演進所誕生的。”丁榮軍院士表示。
回顧功率器件的發(fā)展歷程，丁榮軍院士認為：“從發(fā)現(xiàn)鍺材料到現(xiàn)在，功率器件的發(fā)展時間還不到一個世紀。但隨著應用需求的拉動，功率半導體得到了迅猛發(fā)展，使得電子技術取得革命性的突破，進而推動了整個工業(yè)領域的產(chǎn)業(yè)變革。”
“但與數(shù)字芯片不同，數(shù)字芯片追求的是制程的先進性，往往是新產(chǎn)品替代舊產(chǎn)品。而功率半導體中無論是二極管還是IGBT，每種器件都有其不同的特點和應用場合，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。”丁榮軍院士表示。
IGBT是功率半導體器件第三次技術革命的代表性產(chǎn)品
在丁榮軍院士看來，IGBT是功率半導體器件第三次技術革命的代表性產(chǎn)品。IGBT的特點是電壓驅(qū)動，輸入阻抗高，驅(qū)動電流小，開關頻率較快，耐壓高，應用范圍 600V~6500V，可以廣泛應用在軌道交通、智能電網(wǎng)、新能源、航空航天、船舶驅(qū)動、交流變頻、風力發(fā)電、電機傳動、汽車等產(chǎn)業(yè)領域。
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；軌道交通是高壓IGBT最大需求領域，年需求量在30萬只左右；新能源領域風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)應用以3300V焊接和4500V壓接式IGBT為主，年需求量約幾萬只。
對比國內(nèi)外功率半導體發(fā)展現(xiàn)狀，丁榮軍院士認為，“我國在晶閘管和IGCT方面已經(jīng)實現(xiàn)從跟跑、并跑到領跑的技術突破；IGBT方面已形成芯片設計、晶圓制造、封裝測試完整技術體系，進入國際先進行列；第三代半導體材料方面，SiC和GaN技術進步快，但與國際先進水平相比還有差距，主要受制于成本原因。目前SiC器件的價格仍然是硅器件的4倍左右，僅在一些對體積和效率要求比較高的場景滲透較快，所以SiC器件亟需降低成本以加速打入更多應用場景。”
新材料和新拓撲是功率器件未來技術突破的關鍵路徑
功率器件技術的發(fā)展是由“提高性能”和“降低成本”的內(nèi)在需求推動的，因此對于功率半導體未來技術的發(fā)展趨勢，丁榮軍院士認為，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，新的材料和新的拓撲將是功率半導體器件未來技術突破的關鍵路徑，未來可以從“新材料、新結(jié)構(gòu)、新封裝、智能化”四個方向著手實現(xiàn)功率器件的技術演進。
來源：和訊網(wǎng)
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