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绿能芯创CEO廖奇泊在“未名创星论坛第四期——中国芯,强国梦”活动中发表演讲,以下为演讲内容,已经作者确认,略有删减:

绿能芯创CEO廖奇泊

三代半导体的不同应用

刚才有人问我说是不是碳化硅出来以后,硅基产品就没有用了?是不是氮化镓出来以后碳化硅基产品就没有用了?其实它们根据不同特性分别占据了不同的领域。大家可以看这张图横坐标越往右边的表示你的电压越大,纵坐标越往上面的表示你的频率越高。

我们看到氮化镓它的优势是在高频,所以在通讯里面,包含军工、5G的使用,氮化镓占了极大的优势。可是当今天你的电压超过650伏,氮化镓毕竟它是III-V族,是异相的结合,所以它有一个物理无法突破的问题。因此一般氮化镓主要优势是在电压650伏以下,其实对一般通讯来讲也够了。而碳化硅它的优势是在大电压、大电流、大功率。所以包含未来汽车的使用,高铁的使用,电网的使用,工业的使用,这些是它最优势的地方。如果是白色家电在电压200伏以下的部分,成本比较敏感的,我们就不要拿碳化硅来做了。 

第三代半导体产业特点


半导体产业的差别在哪里?半导体产业的分工呢?你可以看到,逻辑大部分它是代工厂外加设计公司,而IDM公司相对比较少。可是你看一下右手边碳化硅这种电力电子的功率产品,它主要除了IDM以外,还另外需要一个系统的集成。所以我特别想提到,它并不仅仅是一个设计,是工艺+材料,还是一个很重要的材料学、物理学跟化学,因为最后讨论到的是能阶、PN junction,所以大家必须回到大学把念的组件固态物理再拿出来念一遍,真的会用到。到最后当然设备和制程的设计,这是非常重要的。

因为这个的差异,所以人才的栽培其实也是不一样的,通常逻辑会有所谓的IP公司帮你都设计好了,其实大部分都是拼拼图一样,把这些IP拼起来,所以这种设计人才的培育大概两三年。

如果是功率半导体,分离器件你必须把物理、能阶都搞清楚,你才会设计出真正好的东西。为什么这么说呢?逻辑芯片你可以想象它是一个二维的,所以都是读写是平面的,左边进去右边出来,这个读写用gate打开来完成。可是功率半导体它是三维的,它的开启是上面进来,下面出去,它是三维的一个设计,所以这两个是有很大的差别。

所以,通常我们在做功率半导体,没有做超过十年都不好意思说自己曾经做过,自己会做。这是很大的差异,我做了二十几年我才敢说应该会吧。我想这里面的一些工艺差异表,后面我们就不多说了,这部分跟刚才郭总讲的会蛮类似的。不过有一点他没提到的是人工的部分,当功率工程师做超过十年,你的价值一定会比别人更高。

所以,这是我一直在鼓励我们的员工,第一,你好好做,你的价值会更高。还有一点更重要的是情怀,因为我们做的是一个节能减排的工作,赚钱还对社会有帮助。我们后面会提到你可以让什么东西节能,节能多少,我们虽然没有办法发电,可是我们可以让整体省电2%-10%,所以我们对减少雾霾也是有一点点的帮助。

碳化硅的应用


一、汽车

汽车的部分全面采纳碳化硅,其实刚才可以看到,可以节省10%-15%。它的主要应用包含一些电机控制器、ACDC / DCDC转化、车载充电桩等。另外,特斯拉厉害的地方,特斯拉虽然是做车,可是他里面有两百多个半导体专家,这是国内汽车厂看不到的。所以,其实电动车不是在做车,而是在做半导体。

这是三年的数据,比较保守,做出来大概整个效能提升了10%。不过你可以看到,整个逆变器体积缩小了,剩下了原来的1/5。重量剩下一半,我想做汽车的人都会很清楚, 不管逆变器怎么放,都非常有优势。包括未来航天航空,其实这个都有非常大的优势,不发热、又小、又轻。现在有电动方程式的赛车,法拉力连续两年都得到冠军,它就是用日本罗姆的碳化硅芯片去做成的逆变器。

顺便提到,不仅是汽车,高铁也可以用到碳化硅。日本的高铁其实已经上线了,用碳化硅虽然看起来好像是节能了10%,不发热、不发烫、稳定性更高,提高了安全性。还有一点很重要的,它体积、重量都变小了,所以它一个车头现在已经可以拉16节车厢了。我们可以去看国内现在都是拉8节的。

二、电网

最大的会是在电网的部分。全球能源互联网中心正在提一个全球能源互联网的概念。比如说,能源从西电东送,是200KV以上的应用,相对来讲只要差1%,那节能就已经非常多了。碳化硅的功用是在降低能耗、降低电能的损耗。在这块儿国家电网走在世界领先的前沿,已经成立了一个6吋碳化硅的中试线,很荣幸我们有跟他们做合作,同时在去年底已经通线了。所以,我后面会聊到,为什么可以说我们跟国际的距离其实不是太远。

在电网的应用,这就更不用说了,这就更多了。柔性输配电是国网领先世界的技术,以一个+/- 320KV的柔性输配电为例来算,总共需要2000多个IGBT的模块,这个规格模块是在3300伏、1500安培的规格底下。所以,这个对芯片的需求是非常大的。未来都有机会换成碳化硅的产品。

而且电网这个应用,中国应该是世界领先的。全世界需要这么长的送电应该只有中国,西电东送是国家电网特有的专利,包含在非洲、巴西,未来在一带一路的应用,其实都是用中国的系统。

三、5G

接下来的应用就是我们现在常讲的5G,强调的是氮化镓是在5G的通讯方面,而碳化硅在5G领域依然是应用在电源节能的部分,包含基站,我提供你低功耗、高可靠性的一个电源。

四、航天航空

还有就是航天航空的领域。碳化硅本身它的能阶是硅基的三倍,所以它本身材料就有抗辐射的功能。所以,只要我们的设计得当,其实这个芯片轻而易举就可以抗辐射。

另外在一些工业,包含装备的部分,其实碳化硅可以在高温、高湿、高腐蚀的环境下,这个是硅基没有办法做得到的。像太阳能,有些在外面,可能都是在山上,风吹、日晒、雨淋,所以早期通常两年就要换一次,换成碳化硅,基本上它的可靠性现在都可以十年以上了。 

碳化硅的推广难点


碳化硅看起来好像有很多优点,可是推广还是有一定的问题,尤其是在国内。

一、材料品质低

材料的部分好像中国都能做,我们就以为自己做得很好,其实你把它分成低阶和高阶来看的时候,你会发现高阶的6寸碳化硅的芯片,国内目前没有一家公司能够提供,所以是100%进口。

二、工艺难度高

它是一个3D的概念,一般人还是用2D的概念去设计这个东西,这是错的。我是有幸在美国工作了一段时间,叫Vishay,这家公司其实在功率半导体已经做了六十几年了,所以我们是站在巨人的肩膀上,才有机会。而且我们的训练是从3D的训练来做的,如果你要还是用2D的观念做功率半导体,肯定是不会成功的。3D底下是看不到的,因为下面是P和N,是看不到的,看不到的地方才是真正核心的位置,漏电和开启其实都是在底下的。

三、应用开发难

因为相对来讲碳化硅所有的应用设计其实是要重新做的,并不是一个直接pin to pin出来的。这是一个难点,也是我们公司的一个机会,因为最大的市场其实是在中国,就像电动车一样,最该用的其实是在中国。所以,需要客制化、在地化、中国化。

碳化硅的爆发点


所有的产品不是追求性能最高,是追求最适合客户的,合适的产品才是我们要的。所以,中国这一块儿在往上走,我们在这儿就得到了很多下游产业的合作,我们就知道它的规格,一起来做,那可以做出最合适的产品。

整个爆发点其实现在全世界来看,已经从4寸转成6寸了,价格成本其实是会降下来,会降20%-30%,原本价格是硅基的5-6倍降到了3-4倍。再加上后面应用的开发,整体模组成本反而下降,其实这就是未来一个爆发点。 

碳化硅的机遇


碳化硅的重要性,其实它已经上升到国家的层面了。


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