電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實驗室主任張波教授發(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、機遇和挑戰(zhàn)等多個維度對功率芯片進行了深入剖析，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，趕上國際先進水平的細分行業(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)的不斷進步，功率半導(dǎo)體器件在不斷演進。自上世紀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，張波教授認為，這主要是因為系統(tǒng)廠商給國產(chǎn)芯片廠商試錯迭代的機會太少。
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工藝，向尺寸依賴的先進工藝（More Moore）、非尺寸依賴的特色工藝（More than Moore）和先進封裝三個維度并舉發(fā)展。
尺寸依賴的先進工藝投入巨大，是一個龐大的吞金獸，動輒就是1、2百億美元。據(jù)報道，臺積電在5nm節(jié)點，將投資250億美元發(fā)展5nm制程，2020年量產(chǎn)；3nm項目投資超過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)計費用約達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)。也正是因為這種產(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，同時也是機遇，是我們國產(chǎn)替代的機遇。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)體芯片進行能量管理。智能手機的功能越來越強大，在其變得輕薄的同時，用戶希望待機時間更；新能源汽車的一個核心指標就是續(xù)航里程，在電池沒有革命性進展以前，功率半導(dǎo)體芯片在手機待機和新能源汽車續(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。
