功率芯片是什么？功率芯片有哪些？

功率芯片是什么？

近年来，我国已成为全球发电量第一的大国。电能一直是人类消耗的最大能源，是目前最为重要的一种能源形式之一。为满足发电，输电和用电的各种不同要求需求，几乎所有的电能从生产到消耗的过程中都要经过电压、电流、频率等参数的转换以后才能供设备使用。而电能的转换本质是利用功率芯片的开关作用，实现弱电对强电的控制，对电能（功率）进行处理。

图1 2021年世界各国发电量排名

日益严重的能源和环境问题使得我们对电能变换的效率、频率越来越关注。在这一背景下，功率半导体芯片的应用范围也得到了急剧的扩大。仔细观察一下就会发现，功率芯片几乎无处不在，大到机车牵引、船舶推进及风力发电、太阳能发电等新能源系统，小到手机、洗衣机、冰箱、空调等家电，功率芯片都在其中起到关键的控制作用。

图2 功率芯片在新能源汽车中的应用

我们每天使用的智能手机也包含大量功率芯片，然而我们拿到手机却看不到任何的芯片，这是因为芯片包含在集成威廉希尔官方网站 的内部。手机内部存在多个威廉希尔官方网站 板，威廉希尔官方网站 板上有若干黑色方块，称之为集成威廉希尔官方网站 。数量庞大的集成威廉希尔官方网站 才构成了手机多样的功能。集成威廉希尔官方网站 既常说的芯片的学名。但是，集成威廉希尔官方网站 并不等同于芯片。我们将图3中集成威廉希尔官方网站 的黑色封装材料去除后，才能看到真正的芯片（图3右上方）。

图3 功率芯片在智能手机中的应用

芯片是通过半导体搭建而成的庞大冗杂的系统，它由数以亿计个晶体管构成。晶体管极其微小，无法通过肉眼观察内部结构，只能由外部测试来推演其工作机理。为了分析晶体管的工作机理，我们将芯片类比为三峡大坝水电站。三峡水电站存在大坝，大坝上存在闸门，大坝内部存在发电机。当我们控制闸门开启时，水流将促使发电机发电。通常在闸门上有控制系统，用来控制闸门的关闭和开启，从而决定大坝发电机的发电与否。与发电机功率相比，控制系统功率较小，用小功率控制系统控制闸门的开关过程，使发电机发电。水流速度越高，发电机的发电量越大。因此该控制系统实现了“以小控大”的作用。

当闸门全部打开时，水流经过发电机从而发电，我们用ON来代表。当闸门全部关闭时，没有水流，发电机不能发电，我们用OFF来代表。而晶体管工作原理就与该三峡大坝水电站工作原理相类似，它可以用弱电对强电进行控制。

图4 晶体管的工作原理

功率芯片有哪些？

我们可以按集成度将功率芯片分为功率分立器件(下文简称功率器件)和功率集成威廉希尔官方网站 (下文简称功率IC)，如图5所示。功率器件包含二极管、晶体管和晶闸管，其中晶体管包含目前较为火热的功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)和IGBT(Insulated Gate Bipolar Translator)，它们被广泛运用于新能源产业和日常家电。功率IC是指将功率器件控制威廉希尔官方网站 、外围接口威廉希尔官方网站 及保护威廉希尔官方网站 等集成在同一芯片及在此基础上集成功率器件的IC。

图5 功率芯片分类

不同的功率芯片具有不同的电压电流等级和体积等特性。我们在实际使用中，针对不同应用场景对应的功率和频率，各领域产品应使用相应的功率芯片。如图6所示为例，功率MOSFET因其开关高频、低损耗特性，主要应用于手机、PC、车载、照明、TV等领域。IGBT因其耐压高、开关速度快特性，主要应用于变频家电、新能源汽车、工业领域。随着技术的不断进步，功率半导体器件也在不断发展。自20世纪80年代以来，功率半导体器件MOSFET、IGBT和功率集成威廉希尔官方网站 已逐渐成为主流应用类型。同时，碳化硅(SiC)基和氮化镓(GaN)基等使用第三代半导体材料的功率芯片近年来发展迅速。

图6 功率芯片应用领域

功率芯片为什么是我国半导体产业崛起的突破口？

在半导体产业界，一直遵循著名的摩尔定律。该定律在1965年由戈登·摩尔提出，他预测到芯片的集成度大概每过一年翻一番。过了将近六十年的时间，人们在回顾半导体产业的发展时，惊奇地发现摩尔预测的非常准确。于是，人们产生了另外一个疑问，我们应该用什么样的方法延续芯片的发展速度，每年都能让集成度翻番。

在1974年，罗伯特·登纳德提出了等比例缩小法则，该方法讲的就是如何去实现摩尔定律。提到摩尔定律，我们需要记住：每代工艺与上一代相比，在面积不变的情况下，晶体管的数量翻一番；或者说在晶体管数量不变的情况下，面积可以缩小到原来的二分之一。按照这样的发展速度，每18个月它的集成度就要翻一番。因此它是2的N次方的发展速度。从图7中我们可以看到在16纳米的时候，我们可以在一个平方毫米的面积上集成大概400多万个逻辑门，约1500万个晶体管。而到了5纳米时，我们可以在一个平方毫米的面积上集成2800万个逻辑门，约1亿多个晶体管！

图7 芯片中的晶体管密度指数上升

而我们国家半导体产业主要受限于14纳米以下芯片制造环节。长期以来，摩尔定律的延续依赖于芯片制程的缩小。芯片制程的缩小及主要代表器件、方向如图8所示。

图8 芯片线程的发展及主要代表器件

一般而言，芯片制程越小，芯片的集成度越高，性能也更加优越。目前国外先进芯片厂商已进行3nm芯片制程工艺研究，而我们国家最先进的芯片制程和技术却停留在14nm的FinFET技术，与国外差距较大且短时间内难以弥补。抛开美国等国家对我国的技术封锁不谈，先进芯片制程的投入也十分巨大。据公开市场的数据，3nm芯片的设计费用约达5-15亿美元，兴建一条3nm产线的成本高达150-200亿美元！

而功率芯片的制备却不需要很小的线程，一般来讲，0.18um（180nm）是功率器件常用的制造线程。国外功率芯片厂商最先进的芯片制程也只有65nm，而我们国家所产出的满足轨道交通应用的IGBT芯片也只是0.35um（350nm），这同手机芯片用到的最先进的制程相比，功率芯片制备难度也小很多。因为功率芯片制程相对较大，制造技术相对较老，受到美国等国家卡脖子的地方更小。因此，从制造方面来讲，我们国家芯片厂商也可以制造时下最先进的功率芯片。

 

来源：半导体功率生态圈

 

　　审核编辑：汤梓红