光伏風(fēng)電設(shè)備、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能、軌道交通……不論是傳統(tǒng)消費(fèi)終端、工業(yè)控制領(lǐng)域還是新能源行業(yè)，隨著“雙碳”目標(biāo)的提出和推進(jìn)，功率半導(dǎo)體在其中的核心地位愈發(fā)凸顯，而它一直以來(lái)也被稱為“卡脖子”技術(shù)。令人驚喜的是，在今年的廣東“眾創(chuàng)杯”創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新大賽之技能工匠爭(zhēng)先賽上，有一支來(lái)自佛山的團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了全球領(lǐng)先的功率半導(dǎo)體芯片及模塊，實(shí)現(xiàn)我國(guó)在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的原創(chuàng)性突破。

近日，2022年廣東“眾創(chuàng)杯”創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新大賽之技能工匠爭(zhēng)先賽總決賽在佛山圓滿落幕。憑借獨(dú)具亮點(diǎn)的技術(shù)與產(chǎn)品， “全球領(lǐng)先的功率半導(dǎo)體芯片及模塊”項(xiàng)目突破重圍，奪得廣東技工主賽道企業(yè)組的金獎(jiǎng)，不僅將獲得20萬(wàn)元的獎(jiǎng)金，還將享受大賽的“12+N”支持政策，包括優(yōu)先入駐創(chuàng)業(yè)孵化基地、創(chuàng)業(yè)融資支持、創(chuàng)業(yè)擔(dān)保貸款、銀行專項(xiàng)授信等福利。

“全球領(lǐng)先的功率半導(dǎo)體芯片及模塊”項(xiàng)目在技能工匠爭(zhēng)先賽總決賽中進(jìn)行路演。

電力電子裝置的“CPU”達(dá)成“雙碳”目標(biāo)的利器

功率半導(dǎo)體是電子裝置中電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，俗稱電力電子裝置的“CPU”，其功能主要用于調(diào)節(jié)電壓電流，具體用途包括變壓、逆變、整流、斬波、變頻、變相等。

“以電動(dòng)車為例，動(dòng)力電池輸出直流電，但若想讓汽車動(dòng)起來(lái)，需要依靠功率半導(dǎo)體將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。但在逆變功能之外，功率半導(dǎo)體還需要其他電路去配合它，才能完成這個(gè)動(dòng)作?！眻F(tuán)隊(duì)測(cè)試總監(jiān)左安超介紹道。

實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)離不開功率半導(dǎo)體的助力。在電子電力系統(tǒng)中，功率模塊通過(guò)控制電子電力系統(tǒng)的能量輸出，將整個(gè)系統(tǒng)的能耗限制在最低范圍內(nèi)，從而達(dá)到對(duì)能量的合理管理，降低能耗，減少碳排放。

然而，功率半導(dǎo)體芯片及模塊是一項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)，市場(chǎng)長(zhǎng)期被外國(guó)企業(yè)壟斷。左安超坦言，由于功率半導(dǎo)體是外國(guó)企業(yè)首先發(fā)明的，技術(shù)上外國(guó)具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，但與此同時(shí)其劣勢(shì)也比較明顯，“功率半導(dǎo)體芯片及模塊發(fā)展近40多年了，目前市面上主要的產(chǎn)品還是只有逆變功能?！?/p>隨著功率模塊應(yīng)用場(chǎng)景增加，若繼續(xù)以國(guó)外的功率模塊產(chǎn)品為標(biāo)準(zhǔn)，要實(shí)現(xiàn)低功耗的電能轉(zhuǎn)換、達(dá)到日漸提高的能效標(biāo)準(zhǔn)，模塊外圍的電路設(shè)計(jì)將愈加復(fù)雜、元件數(shù)量不斷增加。這不僅會(huì)增加設(shè)計(jì)成本，還會(huì)提高電控裝配難度。

為實(shí)現(xiàn)我國(guó)功率半導(dǎo)體產(chǎn)品的原創(chuàng)開發(fā)，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)始人馮宇翔已在此行業(yè)深耕近20年。2005年從清華大學(xué)畢業(yè)后，馮宇翔前往日本三菱電機(jī)全球設(shè)計(jì)總部工作，2008年他將技術(shù)帶回國(guó)并承擔(dān)《極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝》國(guó)家重大專項(xiàng)，在技術(shù)攻克的探索上越走越深。

2020年，馮宇翔帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在佛山創(chuàng)立了廣東匯芯半導(dǎo)體有限公司，開發(fā)出了偃月、青龍等一系列突破“卡脖子”技術(shù)的原創(chuàng)產(chǎn)品。

掌握六大關(guān)鍵技術(shù)以高集成度領(lǐng)先全球

“多功能、小型化、高集成度”是匯芯功率半導(dǎo)體芯片及模塊實(shí)現(xiàn)全球領(lǐng)先的秘訣。

功率器件、驅(qū)動(dòng)IC、材料、集成設(shè)計(jì)、封裝測(cè)試、應(yīng)用技術(shù)，要想原創(chuàng)研發(fā)出高集成度的功率模塊，這6大關(guān)鍵技術(shù)缺一不可。此外，要實(shí)現(xiàn)高集成、低功耗，還需攻克抗干擾、降低熱損的難題。半導(dǎo)體器件在工作時(shí)通常都會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，若這些熱量不及時(shí)散發(fā)，將會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體器件內(nèi)部的芯片結(jié)溫升高，引發(fā)器件產(chǎn)生熱擊穿、結(jié)失效、電遷移擴(kuò)散等失效現(xiàn)象。

“圍繞6大關(guān)鍵技術(shù)，公司申請(qǐng)了400多項(xiàng)專利，占中國(guó)相關(guān)專利的15%以上。我們還率先實(shí)現(xiàn)3D疊片封裝，量產(chǎn)出了集成度比國(guó)際同行高17%的驅(qū)動(dòng)IC、功率密度比同行高13%的開關(guān)器件。”左安超說(shuō)。

在功率器件方面，團(tuán)隊(duì)通過(guò)采用RC逆導(dǎo)技術(shù)，減少功率器件的元素?cái)?shù)量以解決上述難點(diǎn)。以上技術(shù)使產(chǎn)品的集成度大幅提高，不僅產(chǎn)品功能可增強(qiáng)二到四倍，還能將綜合成本降低50%以上，有助于縮短版圖設(shè)計(jì)周期，降低電控的裝配難度。

據(jù)介紹，匯芯基于完備的專利布局，目前已開發(fā)出各個(gè)功率段的產(chǎn)品，并做出了全球集成度最高的模塊產(chǎn)品——偃月系列。通過(guò)高溫高濕偏壓、EMC11項(xiàng)等測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，匯芯的偃月系列產(chǎn)品與國(guó)外一線品牌相比，功能更強(qiáng)、功耗更低的同時(shí)，具備更好的可靠性。

廣東匯芯半導(dǎo)體有限公司研發(fā)的功率半導(dǎo)體產(chǎn)品。受訪者供圖

在今年11月舉行的廣東“眾創(chuàng)杯”創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新大賽之技能工匠爭(zhēng)先賽總決賽路演中，團(tuán)隊(duì)研發(fā)總監(jiān)華慶提到，目前市面上常見的功率模塊以6個(gè)IGBT加FRD（快速恢復(fù)二極管），或是6個(gè)IGBT加FRD加驅(qū)動(dòng)IC的形式為主?！皡R芯的高集成模塊在此基礎(chǔ)上還集成了運(yùn)放、PFC（功率因數(shù)校正）等功能，隨著國(guó)家能效標(biāo)準(zhǔn)逐漸提高，這項(xiàng)功能在應(yīng)用端的需求將會(huì)提升?！?/p>此外，更高的集成度也為制造工藝增添了壓力。為保證制造一致性，匯芯提高了制造產(chǎn)線自動(dòng)化程度，還曾建成了全球第一條全自動(dòng)的模塊的產(chǎn)線。隨著外圍電路極大簡(jiǎn)化，匯芯的功率半導(dǎo)體產(chǎn)品可以使裝配工人數(shù)量減少50%，客戶產(chǎn)品的失效率理論上可降低80%以上。

在接受南都采訪時(shí)，本屆技能工匠爭(zhēng)先賽的評(píng)委表示，今年有不少海歸、高學(xué)歷人才參賽，匯芯團(tuán)隊(duì)正是其中之一。在路演答辯結(jié)束后，總決賽評(píng)委、廣東鼎盛產(chǎn)業(yè)集團(tuán)CEO林建強(qiáng)也給予了項(xiàng)目積極的評(píng)價(jià)：“目前功率半導(dǎo)體的應(yīng)用廣泛，這是一個(gè)很有發(fā)展前景的項(xiàng)目，團(tuán)隊(duì)突破‘卡脖子’技術(shù)的同時(shí)還具備了高集成度、可定制化等獨(dú)特亮點(diǎn)?！?/p>落戶廣東佛山希望借助“眾創(chuàng)杯”資源孵化更高端產(chǎn)品

粵港澳大灣區(qū)是中國(guó)電控板公司最集中的區(qū)域，其中屬佛山一帶聚集度最高。左安超告訴記者，公司落戶佛山正是基于對(duì)市場(chǎng)的考量，“匯芯的客戶主要為各大電控板設(shè)計(jì)公司，我們離客戶越近就越能高效、系統(tǒng)地為客戶提供信息和服務(wù)?！睋?jù)介紹，公司成立第一年銷售額就超過(guò)2000萬(wàn)，今年的銷售額同比超過(guò)4倍，“這是市場(chǎng)給予我們產(chǎn)品的認(rèn)可。”

廣東匯芯半導(dǎo)體有限公司成立兩周年時(shí)團(tuán)隊(duì)合影留念。受訪者供圖

作為一個(gè)初創(chuàng)公司，巨大的研發(fā)投入和有限的資金是匯芯目前所面臨的最大矛盾，為了讓研發(fā)工作得以持續(xù)開展，公司成立兩年已完成了三輪融資。左安超表示，此次參加廣東“眾創(chuàng)杯”技能工匠爭(zhēng)先賽不僅是為了獲得融資、借助“眾創(chuàng)杯”的資源孵化更高端的產(chǎn)品，更是希望與同行交流技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品研發(fā)的心得。

談及未來(lái)，左安超告訴記者，團(tuán)隊(duì)的研發(fā)將繼續(xù)沿著高集成、小型化的方向開發(fā)智能半導(dǎo)體模塊，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在工業(yè)和消費(fèi)、汽車和軍民融合四大領(lǐng)域的全覆蓋?！拔覀兿Ｍ仍?、青龍這些原創(chuàng)產(chǎn)品能給行業(yè)帶來(lái)全新的可能性以及革命性的變革，同時(shí)讓公司成為有行業(yè)影響力的智能功率模塊供應(yīng)商?！?/p>統(tǒng)籌：尹來(lái) 程小妹采寫：見習(xí)記者 楊曉彤 實(shí)習(xí)生 鄭世艾