从电力电子的发展趋势看功率器件的未来 - 新闻通知中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

摘要

从功率器件和电力电子应用趋势的角度讨论了功率器件的前景。功率器件市场的驱动力已从家用电器和工业机器人转变为电动汽车 (EV)，其中最重要的趋势是通过降低功率损耗、提高运行温度和降低热阻来提高功率模块的功率密度。未来，可以预期基于逆变器的资源(IBR)和电源集成电路 (IC) 将成为绿色转型 (GX) 和数字转型 (DX) 的新驱动力。为了继续保持功率模块功率密度不断增加的趋势，宽带隙功率器件具有很强的吸引力。然而，必须改进“成本/功率”等经济参数，以便在电网中广泛使用。此外，可以预期功率模块的异质集成和 GaN 功率 IC 将成为新的需求。

引言

晶体管即将迎来诞生75周年。半导体行业远未达到饱和状态，反而呈现出更加繁荣的景象。大多数研究人员认为，晶体管的最小物理栅极长度是硅的物理极限，因为这个极限是原子和分子的大小。因此，在摩尔定律的限制下，人们讨论了“更多摩尔(More Moore)”、“超越摩尔(More than Moore)”和“超越 CMOS(Beyond CMOS)”。最近，人工智能技术的发展打开了一个新时代的大门，因为大数据分析成为半导体业务新的强大驱动力，半导体市场需求的方向性也变得清晰起来。作为未来技术趋势，纳米片(Nanosheets)和 3D-IC 正在被研究，包括研发在内的半导体行业整体上充满活力。这本质上表明了需求和发展场景在业务中的重要性，强调了了解业务中的需求和进展的重要性，而不是通过讨论特定的技术来实现这些需求。

Source：ITRS

虽然功率器件也属于半导体器件，但功率器件的主要用途与逻辑器件和存储器件完全不同。即使采用为逻辑器件和存储器件开发的相同硅工艺技术，功率器件也显示出独特的历史演进。

尽管 300 毫米晶圆生产制造的量产能力有所提高，但 Si 功率器件的性能仍面临确定的理论极限。Si 芯片解决方案与 WBG （宽带隙）器件在“成本/功率”等经济参数方面的差距越来越小。此外，汽车电气化和积极推动可再生能源系统部署以实现碳中和成为功率器件业务的新驱动力。从这些方面来看，功率器件业务正面临新的转折点，讨论功率器件的未来方向至关重要。本文从器件设计和宽带隙半导体材料的角度回顾了功率半导体器件的进展。要讨论功率器件业务的发展，有必要从应用趋势的角度进行回顾。本文根据电力电子应用趋势介绍了功率器件的历史和进展，同时参考了逻辑和存储器件的历史和进展。然后，根据未来电力电子需求讨论功率器件的未来前景。

IC 应用趋势

A. IC 业务驱动力的变化

戈登·摩尔在 1965 年的论文中做出了著名预测，即每个芯片上的晶体管数量每年将增加两倍。50 多年来，晶体管的缩小和摩尔定律的遵循为业界提供了良好的指引，提供了更密集、更便宜、性能更高、功耗更低的集成电路 (IC)。摩尔定律作为半导体产品进步的关键指标，量化了密集 IC 中的晶体管数量，做出了卓越的贡献。IC 中晶体管的增加不仅意味着实现超精细工艺技术，还意味着高性能 IC 芯片的成本不断降低。这验证了摩尔定律中的最佳集成度水平，产品必须保持集成趋势才能在市场上生存。

图1. IC产业驱动力变化

仅根据 IC 集成度来评估半导体业务的发展是不够的。如图 1 所示，作为半导体业务驱动力的电子系统随着时间的推移而发生了变化。半导体业务始于用大型计算机的晶体管取代计算机系统中的真空管。20 世纪 80 年代初，大型计算机的市场规模是个人计算机 (PC) 的两倍。20 世纪 80 年代中期，驱动力从大型计算机变为 PC。这是因为由于生产率提高，微型计算机和内存价格大幅下降，而且 PC 因价格低廉而在办公室和家庭中得到广泛普及。

2010 年代，驱动力从 PC 转向智能手机。PC充分普及，智能手机可以替代 PC 完成某些功能。结果，手机和部分笔记本电脑被智能手机取代。此外，随着提供大量数字内容的 3G 和 4G 通信网络的发展，互联网也蓬勃发展，智能手机成为新的娱乐系统。

2020 年代，驱动力从智能手机转向高性能计算机 (HPC)。智能手机充分普及，由于 AI 技术和 5G 通信网络技术的发展，大数据分析需求急剧增长。这样，不仅是 IC 技术，不断发展的通信技术和新需求也引入了新应用，IC 技术和业务随着新应用而增长。

B. 主要技术和价值链的变化

需求规范随着驱动力的变化而变化。因此，主要技术和价值链也发生了变化，如表一所示。个人电脑通过将以前手动执行的管理任务（例如文档创建和会计流程）数字化而做出了贡献。对集成电路的主要需求是微型计算机和 DRAM 的计算性能，超精细工艺和高集成度使计算性能得到了显著提高。由于处于半导体业务的起步阶段，价值链主要由集成器件制造商 (IDM) 组成。

智能手机的功能已不再仅限于电脑上的电子邮件等简单管理任务，而是涵盖了浏览网站和互联网上的社交网络等活动。因此，主要需求已转变为处理图像和电影，并开发了片上系统 (SoC)、专用集成电路 (ASIC) 和闪存。由于多功能化，IC 开发成本迅速增加，再加上代工厂的出现，导致设计和制造分离，促进了横向专业化。

表一 IC 业务驱动力、主要技术和价值链的变化

HPC 对于大数据分析、人工智能和云计算等应用至关重要。因此，需要更先进、更量身定制的解决方案，从而实现高端定制设计。为了满足这一要求，人们采用了具有不同功能的芯片组合来代替单片集成，这种集成被称为异构集成 (HI)。通过中介层技术和硅通孔 (TSV) 技术，封装工艺已发展到 2.5-D 和 3D-IC 集成。

在 HI（异构集成）中，芯片可以通过最佳工艺平台制造，不受通用工艺节点的限制。由于芯片尺寸最小，因此可以最大限度地提高工艺产量。最后，证明了最高的性价比。通过标准化芯片接口，芯片集成的灵活性和开发效率的提高使得参与通用芯片互连 Express1 (UCIe1) 的公司数量不断增长。Chiplet 集成改变了价值链，因为它可以看作是通过芯片供应加速横向专业化，并通过 HI（异构集成）实现垂直整合的新形式，以实现最佳系统设计。

从这些讨论来看，IC 业务随着产业驱动力的变化而发生了转变，技术趋势和价值链也发生了变化。

电力电子趋势

电力器件业务因电力电子应用的发展而增长。作为电力电子领域最著名的趋势，电力电子系统的功率密度在 30 年内呈现两位数的增长，如图 2 所示。这一趋势是通过电力器件的低损耗和高频运行实现的。这方面类似于摩尔定律。此外，不仅是高功率密度趋势的复杂性，电力器件业务的复杂性在 IC 开发中也很常见。

图 2. 电力电子系统的功率密度趋势

A. 电源变换应用趋势

下面将讨论功率器件业务的驱动力变化。作为一种流行的电力电子应用，逆变器应用的驱动力变化如图3所示。从20世纪80年代到90年代末，家电在发达国家开始流行。空调中逆变器电路的实现推动了功率器件市场的增长。20世纪90年代后期，工厂自动化（FA）中制造设备的自动化不断发展，带动了工业逆变器市场的增长。随着互联网的发展，工厂系统与网络互联，引发了一场被称为工业4.0的新工业革命。这场革命大大扩大了采购和生产协调的范围，提高了生产效率。

图3 功率器件业务驱动力的变化

1990年代后期，以混合动力汽车为代表的汽车电动化开始兴起。2010年代，随着重视环保问题的混合动力汽车的普及，EV市场急剧增长。2020年代，环保问题的重要性日益凸显。汽车电动化加速，向碳中和迈进，EV市场迅速增长。特别是，可以期待在不久的将来，电池EV等纯电动汽车将迅速发展。

B. 家用电器功率器件（1980-1995）

与 IC 业务类似，功率器件的作用也随着时间的推移而演变。表 II 显示了功率器件随应用趋势而发生的变化。家用电器主要目标是强调能源效率。因此，电源变换电路得到了积极应用。通过从电流栅极驱动过渡到电压栅极驱动，可以显著简化栅极驱动电路，同时通过 IGBT 中的非闩锁操作提高截止电流能力。结果是双极结型晶体管 (BJT) 被 IGBT 取代。

表二功率器件驱动力、主要技术及价值链变化

注入增强效应 (IE 效应) 的发现改善了 IGBT 的导通电压和关断损耗之间的权衡，有助于降低损耗并广泛采用于变换器电路。与分立元件相比，集成多个功率器件芯片的模块已占主导地位。智能功率模块 (IPM) 也得到了开发，其中包括用于功率水平低于几百瓦的逆变器的栅极驱动器 IC。与最初的 IC 业务类似，价值链由 IDM 组成，它们负责处理开发、设计和制造的整个过程。

C. 工业应用 IGBT（1995-2015）

工业机器人的关键要求是逆变器的小型化和轻量化设计，以实现高速和高效运行。因此，IGBT 的功率损耗的降低使得功率密度不断增加成为现实。为了实现低损耗，器件供应商开发了一种需要背面减薄的薄晶圆工艺，产生了当前主流的薄晶圆 IGBT，即场截止 IGBT (FS-IGBT)。

在 2010 年代，为了实现超精细模型，以通过增强 IE 效应实现器件的超低损耗运行并提高生产能力，生产线从 150 mmφ 变为 200 mmφ。主要用于 1 kW 及以上容量的工业逆变器模块。通过降低功率器件损耗、提高最高工作温度和降低热阻，功率模块的功率密度得到提高，如图 4 所示。这一趋势降低了逆变器的成本并提高了功率密度。电源模块的设计采用了集成芯片设计和热封装设计。在价值链中，IDM 保持了垂直整合。

图4. 电源模块的功率密度和热阻趋势

D. 电动汽车功率器件（2015 年）

电动汽车的关键需求是低耗电量。与汽油车的燃油效率类似，延长单次充电的行驶距离不仅可以降低运行成本，还可以降低充电频率。此外，它还可以减少昂贵电池的容量，从而降低车辆整体成本和重量。汽车电气化始于混合动力汽车，通过提高电源变换的功率密度，功率控制单元 (PCU) 的轻量化不断发展，行驶距离也得到了扩大。集成 IGBT 和二极管的反向传导 IGBT (RC-IGBT) 通过增加芯片热能力，缩小芯片面积，实现高电流密度，从而促进功率模块的高功率密度。为了进一步提高生产能力，产品生产工厂开始向 300 mmφ 生产线转移。

在电动汽车中，低负荷运行占据了很大一部分运行工况。因此，IGBT 的 Ic–Vce 特性中的电压偏移成为降低低负荷运行期间损耗的障碍。相比之下，SiC-MOSFET 的无电压偏移 Id–Vds 特性对于降低低负荷运行期间的损耗非常有效，并且 SiC-MOSFET 已在豪华全电动汽车中得到积极采用。

由于水冷和小型化需求旺盛，双面冷却 (DSC) 模块得到了积极发展。此外，由于它对车身设计有重大影响，电动汽车的模块主要由汽车制造商或电源转换器制造商作为一级供应商设计。因此，价值链已转变为横向专业化，即功率器件制造商生产功率器件并将其供应给汽车制造商或一级供应商。因此，在功率器件业务中，以电动汽车的发展为驱动力不仅改变了技术，也改变了价值链。

E. 电源应用趋势

接下来，我们将讨论另一种流行的电力电子应用，即电源应用的功率 MOSFET。如图 3 所示，由于数据中心市场对 DX（数字化转型）的需求急剧增长，电源的主要驱动力已从 PC 转向通信和服务器电源。然而，始终追求的是系统的高功率密度。电源的高功率密度主要通过功率器件的低损耗和高频操作来实现，从而将无源元件小型化。因此，用于电源的功率 MOSFET 不断降低特定导通电阻 RON A 和 RONQsw，这是高速运行的指标。图 5 显示了降低 RON A 的趋势。对于 60 V 级低压功率 MOSFET，趋势是 15 年来减少了10倍，对于 600 V 级高压功率 MOSFET，趋势是 20 年来减少了 10倍。目前，RON As 正面临理论极限。在智能手机和平板电脑的充电器中，由于 GaN-HEMT 的开关速度比硅功率 MOSFET 更快，因此被用于减小尺寸。

图 5. Si 功率 MOSFET 的导通电阻趋势。（a）60 V 级和（b）600 V 级

自 2000 年代初以来，GaN-HEMT 功率器件的应用一直在研究和开发中。它们花了近 20 年的时间才进入充电器市场。图 5(b) 所示的 RON A 趋势表明产品在量产中具有合适的成本，并且符合摩尔定律。这表明 GaN-HEMT 已经能够提供性能，并且成本与硅功率 MOSFET 的趋势相符。

电力器件的前景

如前文所述，主要需求因驱动力而发生变化，不仅重点技术，价值链也发生了变化。电力器件前景按预期的未来驱动力和要求进行讨论，如下所示。2030 年以后的驱动力将是绿色转型 (GX) 和数字化转型 (DX)。全球范围内，正在努力减少火力发电，并积极引入可再生能源以实现碳中和。在日本，绿色增长战略设定了到 2050 年实现碳中和的目标，并已启动包括海上风电和太阳能发电在内的各种举措。

A. 绿色转型（GX）电源模块

随着太阳能和风能的不断增长，平衡其发电和消耗的储能系统的需求也在增加。这些电源和储能系统通过电力转换系统 (PCS) 连接到电网，称为基于逆变器的资源 (IBR)。由于对可再生能源的需求迅速增长，可以预期 IBR 将成为未来电力器件的新驱动力。

IBR 的主要挑战是降低成本和电网稳定性。如前所述，如果电源模块功率密度更高的趋势表明成本性能的改善类似于摩尔定律，那么有必要继续提高功率密度以降低成本，以促进 IBR 的采用。目前，Si-IGBT 模块的功率密度通过低损耗设计和高温运行而持续增加。

人们高度期待 SiC 和 GaN 等 WBG 半导体对低损耗运行的需求做出重大贡献。事实上，已有使用 SiC-MOSFET 超过 200 ◦C 的高温运行模块的演示。高功率密度模块中一个不可避免的问题是在更小的芯片面积内产生更多的热量，这需要越来越先进的器件和封装级热管理来确保器件的安全运行和长期可靠性。因此，热管理是未来电力电子系统从功率半导体进步中受益的关键推动因素。最近一篇关于这个主题的评论论文分析了系统频率改进与热管理的相关性。

相比之下，从环境角度来看，碳足迹概念被提出作为取代系统功率密度的新指标。利用碳足迹，可以量化通过高功率密度提供低损耗、小尺寸电源模块所减少的二氧化碳排放量。

B. 数字化转型 (DX)对电源模块的可靠性要求

电网的稳定性需要从瞬时和长期两个角度来考虑。从瞬时角度来看，某些服务（例如通过同步惯性和同步扭矩功能提供的服务功能）不是 IBR（基于逆变器的资源）固有的，而同步发电机则具有这些服务。这些功能对于频率和电压角稳定性至关重要。这些问题已通过系统控制技术得到解决，例如电网跟踪 (GFL) 和电网形成 (GFM)。

从长期来看，由于天气条件导致的发电波动会给电力稳定供应带来风险。因此，通过使用电池储能和功率流控制来稳定供电至关重要。此外，长期运行稳定性具有挑战性，因为作为分布式电源的 IBR 数量不断增加导致故障频率增加。高可靠性可以减少故障发生，这不仅是为了降低维护成本，也是为了运营。然而，实现指数级的高质量是不现实的。因此，基于健康监测的寿命预测研究已经积极开展。

C. 电源模块的绿色转型（GX）改造

对于这些新要求，IBR（基于逆变器的资源）将通过数字通信网络进行控制。因此，电力电子系统的 DX 是必要的，并且电源模块的改造也将发生。

数字控制也已被证明是一种低损耗驱动技术。电源模块的监测目标是电源设备的电压、电流和温度，因为它们的退化会导致电阻和热阻增加，这是由于引线键合提升、焊料裂纹和陶瓷基板因功率循环退化而破裂造成的。已经提出并验证了各种监测方法，以测量这些指标 10%-20% 的变化以检测退化。然而，测量值是模拟量，很容易受到高压噪声的影响。因此，为了准确监测，必须实时将测量的模拟值转换为数字值。

将这些功能集成到电源模块中就是电源设备的 DX。图 6 显示了支持 DX 的电源模块的概念配置。控制功率器件的数字门驱动器、模拟前端 (AFE)（包括监控电路和 AD 转换电路）以及用于与控制信号和测量值通信的隔离器）与数字接口集成在一起。