張波：功率芯片，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)崛起的突破口

2020 年“芯長征”半導(dǎo)體高峰論壇在中國蘇區(qū)江西贛州召開，旨在依托學(xué)界、業(yè)界力量，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研交流研討，助力贛州乃至國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)新發(fā)展。高峰論壇邀請了行業(yè)內(nèi)重量級嘉賓，以新形勢下的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展和特色工藝半導(dǎo)體發(fā)展為主題，結(jié)合產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)及發(fā)展動態(tài)，針對半導(dǎo)體領(lǐng)域行業(yè)的熱點(diǎn)難點(diǎn)進(jìn)行研討交流，為半導(dǎo)體制造及特色工藝的技術(shù)創(chuàng)新與持續(xù)發(fā)展提供合理建議，促進(jìn)半導(dǎo)體產(chǎn)學(xué)研合作和技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。

電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實(shí)驗(yàn)室主任張波教授發(fā)表了題為《功率芯片，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)崛起的突破口》的主旨演講。張波教授從應(yīng)用、市場、機(jī)遇和挑戰(zhàn)等多個維度對功率芯片進(jìn)行了深入剖析，并指出功率芯片是中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)崛起的突破口。

張波教授表示，功率芯片是非常適合發(fā)揮我國比較優(yōu)勢的產(chǎn)業(yè)，功率芯片是最有可能率先突破，趕上國際先進(jìn)水平的細(xì)分行業(yè)之一。早在 2003 年，中國工程院許居衍院士在吉林華微主辦的功率半導(dǎo)體發(fā)展研討會上，就提出功率半導(dǎo)體是最適合中國人發(fā)力的領(lǐng)域。

功率半導(dǎo)體是進(jìn)行功率（電能）處理（管理）的半導(dǎo)體器件。功率半導(dǎo)體的應(yīng)用十分廣泛，從幾十毫瓦的便攜式設(shè)備，到上千兆瓦的高壓直流傳輸過程；從儲能、家電，到 IT?產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)通訊，只要是涉及電的領(lǐng)域，都存在它的身影。

不同功率半導(dǎo)體器件，其承受電壓、電流容量、阻抗能力、體積大小等特性也會不同。實(shí)際使用中，需要根據(jù)不同領(lǐng)域、不同需求來選用合適的器件。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，功率半導(dǎo)體器件在不斷演進(jìn)。自上世紀(jì) 80 年代起，功率半導(dǎo)體器件 MOSFET、IGBT 和功率集成電路逐步成為了主流應(yīng)用類型，同時，SiC 和硅基 GaN 等新材料功率半導(dǎo)體器件最近又得到迅速發(fā)展。

由于功率半導(dǎo)體芯片在人類社會的進(jìn)步中發(fā)揮著越來越重要的作用，所以功率半導(dǎo)體芯片的市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。根據(jù) IHS iSuppli 的數(shù)據(jù)，功率半導(dǎo)體的市場規(guī)模從 2001 年的 115 億美元成長至 2018 年 466 億美元，年均復(fù)合成長 8.1%。

全球半導(dǎo)體市場受存儲器芯片價(jià)格大起大落的影響而出現(xiàn)波動，但功率半導(dǎo)體整體一直保持平穩(wěn)發(fā)展，且在全球半導(dǎo)體整體市場份額中占比呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢，功率半導(dǎo)體的占比從 2011 年的 8.27%上升至近年來的 10%左右。

從需求端來看，中國作為制造大國，擁有全球最大的功率半導(dǎo)體市場。據(jù) Yole?Development 數(shù)據(jù)，中國功率半導(dǎo)體市場規(guī)模在全球占比高達(dá) 39%，居第一位；從供給端來看，我國僅占有不足全球 10%的市場份額。如此看來，我國功率半導(dǎo)體呈供需嚴(yán)重不匹配的格局，且國內(nèi)以低端產(chǎn)品為主。究其原因，張波教授認(rèn)為，這主要是因?yàn)橄到y(tǒng)廠商給國產(chǎn)芯片廠商試錯迭代的機(jī)會太少。

同時功率半導(dǎo)體器件研制不僅要考慮器件特性，還有考慮應(yīng)用環(huán)境。要根據(jù)應(yīng)用去設(shè)計(jì)器件特性，可以稱之為超越器件（More than Devices）。

特色工藝的另一個特點(diǎn)是由于許多特色工藝產(chǎn)品與應(yīng)用場景密切相關(guān)，因此工藝平臺繁多、產(chǎn)品種類龐雜，多種工藝平臺共存，同一類器件品種還多，英飛凌在功率半導(dǎo)體產(chǎn)品中就有 15 個分類。而在其中的功率 MOS 中就有 2497 個產(chǎn)品，而在 2018 年 11 月是 3315 個產(chǎn)品。而德州儀器在電源管理方面有多達(dá) 6983 個產(chǎn)品。

長期以來，集成度的提升靠的是集成電路工藝線寬的縮小，這是一維方向的堅(jiān)持發(fā)展。但隨著線寬的持續(xù)降低，半導(dǎo)體工藝發(fā)展到納米尺度，帶來無論是建廠成本、工藝研發(fā)還是產(chǎn)品研制費(fèi)用的急劇增加，集成電路工藝技術(shù)逐漸從單一追求尺寸依賴的先進(jìn)工藝，向尺寸依賴的先進(jìn)工藝（More Moore）、非尺寸依賴的特色工藝（More than Moore）和先進(jìn)封裝三個維度并舉發(fā)展。

尺寸依賴的先進(jìn)工藝投入巨大，是一個龐大的吞金獸，動輒就是 1、2 百億美元。據(jù)報(bào)道，臺積電在 5nm 節(jié)點(diǎn)，將投資 250 億美元發(fā)展 5nm 制程，2020 年量產(chǎn)；3nm 項(xiàng)目投資超過 6000 億新臺幣，約為 194 億美元，2020 年開始建廠，2021 年完成設(shè)備安裝，預(yù)計(jì) 2022 年底到 2023 年初量產(chǎn)。三星電子對現(xiàn)有的芯片工藝路線圖進(jìn)行了調(diào)整，或直接取消此前用于過渡的 4nm，由 5nm 制程工藝直接上升至 3nm。根據(jù)公開市場數(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)線的成本約為 150-200 億美元。

而在功率半導(dǎo)體方面，意法半導(dǎo)體最先進(jìn)的 BCD 工藝也只是 65nm，我國株洲中車所生產(chǎn)出滿足軌道交通應(yīng)用的 IGBT 芯片的生產(chǎn)線也只是 8 英寸 0.35 微米，這和 7nm、5nm 工藝相比，投資力度小的多，工藝難度也小的多。同時，相對于先進(jìn)工藝，經(jīng)過幾代炎黃子孫的努力，我國功率半導(dǎo)體以具備相對良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。

功率半導(dǎo)體產(chǎn)品屬于模擬器件范疇，產(chǎn)品性能與應(yīng)用場景密切相關(guān)。也正是因?yàn)檫@種產(chǎn)品屬性，特色工藝產(chǎn)品往往無法形成壟斷企業(yè)。即使功率半導(dǎo)體分立器件老大，德國英飛凌公司收購了美國 IR 公司，其市場占有率也不到 20%，安森美收購了 Failchild，其市場占有率也只有 9%。全球前十大功率半導(dǎo)體分立器件廠商加起來也只占據(jù) 60%左右的市場。

但由于多種原因，我們看到，在功率半導(dǎo)體分立器件的前十大企業(yè)中，沒有一家中國公司，這一方面是我們行業(yè)的悲哀，同時也是機(jī)遇，是我們國產(chǎn)替代的機(jī)遇。40%的市場被其它公司所占據(jù)，功率半導(dǎo)體由于其自有屬性，沒有一家壟斷企業(yè)，這就給小企業(yè)和后來者留下了足夠的發(fā)展空間。

隨著中美科技較量短兵相接，2020 年兩會上人大代表和政協(xié)委員關(guān)于中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的提案和建議備受矚目。其中民進(jìn)中央提交了“關(guān)于推動中國功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)科學(xué)發(fā)展的提案”引起巨大反響。隨著工業(yè)、汽車、無線通訊和消費(fèi)電子等領(lǐng)域新應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)以及節(jié)能減排需求日益迫切，我國功率半導(dǎo)體有龐大的市場需求，容易催生新產(chǎn)業(yè)新技術(shù)，在國家政策利好下，功率半導(dǎo)體將成為“中國芯”的最好突破口。國家正大力發(fā)展的新基建又為功率半導(dǎo)體提供了新的增量空間。

5G 通訊是新基建的重要組成部分，但 5G 基站的能耗是 4G 的 3 倍多，這就對進(jìn)行能量處理的功率半導(dǎo)體提出了更高需求，5G 基站希望上架、去油、去鉛，這需要大量的高效的功率半導(dǎo)體芯片進(jìn)行能量管理。智能手機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，在其變得輕薄的同時，用戶希望待機(jī)時間更；新能源汽車的一個核心指標(biāo)就是續(xù)航里程，在電池沒有革命性進(jìn)展以前，功率半導(dǎo)體芯片在手機(jī)待機(jī)和新能源汽車?yán)m(xù)航里程改善方面發(fā)揮著重要作用。

綜上所述，從市場、產(chǎn)品屬性和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)等多方因素分析，功率芯片將是中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)崛起的重要突破口。