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(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(shù)的發(fā)展及應(yīng)用》主題演講，從功率半導體的發(fā)展歷程、功率器件的技術(shù)特點和應(yīng)用，以及功率半導體未來發(fā)展的技術(shù)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(lǐng)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(shù)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(shù)；晶閘管的出現(xiàn)推動了整流機車向相控機車技術(shù)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(shù)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(shù)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(yīng)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(shù)取得革命性的突破，進而推動了整個工業(yè)領(lǐng)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(yīng)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。
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IGBT是功率半導體器件第三次技術(shù)革命的代表性產(chǎn)品
在丁榮軍院士看來，IGBT是功率半導體器件第三次技術(shù)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(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、交流變頻、風力發(fā)電、電機傳動、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；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(lǐng)跑的技術(shù)突破；IGBT方面已形成芯片設(shè)計、晶圓制造、封裝測試完整技術(shù)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(shù)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(yīng)用場景。”
新材料和新拓撲是功率器件未來技術(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)在需求推動的，因此對于功率半導體未來技術(shù)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(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”四個方向著手實現(xiàn)功率器件的技術(shù)演進。
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無錫市集成電路學會（Wuxi Integrated Circuit Society，WXICS）注冊于2023年4月，學會是由中國電科58所、清華大學無錫應(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、東南大學、無錫學院等高校、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登記的非營利性社會團體，業(yè)務(wù)主管單位是無錫市科學技術(shù)協(xié)會。
學會以集成電路領(lǐng)域創(chuàng)新需求以及廣大科技工作者成長需求為導向，搭建學術(shù)交流、人才培育、科學研究、科學普及、業(yè)務(wù)培訓等平臺，開展相關(guān)服務(wù)，彰顯學會使命擔當；學會將建立產(chǎn)學研合作聯(lián)動體系，依托高校及科研院所進行技術(shù)創(chuàng)新，依托平臺機構(gòu)進行產(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、研、用和諧發(fā)展的集成電路產(chǎn)業(yè)生態(tài)，推動集成電路的持續(xù)迭代與高質(zhì)量發(fā)展。
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