光伏風電設備、電動汽車、儲能、軌道交通……不論是傳統(tǒng)消費終端、工業(yè)控制領(lǐng)域還是新能源行業(yè)，隨著“雙碳”目標的提出和推進，功率半導體在其中的核心地位愈發(fā)凸顯，而它一直以來也被稱為“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先賽上，有一支來自佛山的團隊研發(fā)出了全球領(lǐng)先的功率半導體芯片及模塊，實現(xiàn)我國在功率半導體領(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先賽總決賽在佛山圓滿落幕。憑借獨具亮點的技術(shù)與產(chǎn)品， “全球領(lǐng)先的功率半導體芯片及模塊”項目突破重圍，奪得廣東技工主賽道企業(yè)組的金獎，不僅將獲得20萬元的獎金，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)擔保貸款、銀行專項授信等福利。

“全球領(lǐng)先的功率半導體芯片及模塊”項目在技能工匠爭先賽總決賽中進行路演。

電力電子裝置的“CPU”達成“雙碳”目標的利器

功率半導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。

“以電動車為例，動力電池輸出直流電，但若想讓汽車動起來，需要依靠功率半導體將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。但在逆變功能之外，功率半導體還需要其他電路去配合它，才能完成這個動作。”團隊測試總監(jiān)左安超介紹道。

實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”目標離不開功率半導體的助力。在電子電力系統(tǒng)中，功率模塊通過控制電子電力系統(tǒng)的能量輸出，將整個系統(tǒng)的能耗限制在最低范圍內(nèi)，從而達到對能量的合理管理，降低能耗，減少碳排放。

然而，功率半導體芯片及模塊是一項“卡脖子”技術(shù)，市場長期被外國企業(yè)壟斷。左安超坦言，由于功率半導體是外國企業(yè)首先發(fā)明的，技術(shù)上外國具有先發(fā)優(yōu)勢，但與此同時其劣勢也比較明顯，“功率半導體芯片及模塊發(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>隨著功率模塊應用場景增加，若繼續(xù)以國外的功率模塊產(chǎn)品為標準，要實現(xiàn)低功耗的電能轉(zhuǎn)換、達到日漸提高的能效標準，模塊外圍的電路設計將愈加復雜、元件數(shù)量不斷增加。這不僅會增加設計成本，還會提高電控裝配難度。

為實現(xiàn)我國功率半導體產(chǎn)品的原創(chuàng)開發(fā)，團隊創(chuàng)始人馮宇翔已在此行業(yè)深耕近20年。2005年從清華大學畢業(yè)后，馮宇翔前往日本三菱電機全球設計總部工作，2008年他將技術(shù)帶回國并承擔《極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝》國家重大專項，在技術(shù)攻克的探索上越走越深。

2020年，馮宇翔帶領(lǐng)團隊在佛山創(chuàng)立了廣東匯芯半導體有限公司，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”是匯芯功率半導體芯片及模塊實現(xiàn)全球領(lǐng)先的秘訣。

功率器件、驅(qū)動IC、材料、集成設計、封裝測試、應用技術(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，要實現(xiàn)高集成、低功耗，還需攻克抗干擾、降低熱損的難題。半導體器件在工作時通常都會產(chǎn)生一定的熱量，若這些熱量不及時散發(fā)，將會導致半導體器件內(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、電遷移擴散等失效現(xiàn)象。

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

在功率器件方面，團隊通過采用RC逆導技術(shù)，減少功率器件的元素數(shù)量以解決上述難點。以上技術(shù)使產(chǎn)品的集成度大幅提高，不僅產(chǎn)品功能可增強二到四倍，還能將綜合成本降低50%以上，有助于縮短版圖設計周期，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。通過高溫高濕偏壓、EMC11項等測試數(shù)據(jù)對比，匯芯的偃月系列產(chǎn)品與國外一線品牌相比，功能更強、功耗更低的同時，具備更好的可靠性。

廣東匯芯半導體有限公司研發(fā)的功率半導體產(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先賽總決賽路演中，團隊研發(fā)總監(jiān)華慶提到，目前市面上常見的功率模塊以6個IGBT加FRD（快速恢復二極管），或是6個IGBT加FRD加驅(qū)動IC的形式為主?！皡R芯的高集成模塊在此基礎(chǔ)上還集成了運放、PFC（功率因數(shù)校正）等功能，隨著國家能效標準逐漸提高，這項功能在應用端的需求將會提升。”

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)線自動化程度，還曾建成了全球第一條全自動的模塊的產(chǎn)線。隨著外圍電路極大簡化，匯芯的功率半導體產(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，本屆技能工匠爭先賽的評委表示，今年有不少海歸、高學歷人才參賽，匯芯團隊正是其中之一。在路演答辯結(jié)束后，總決賽評委、廣東鼎盛產(chǎn)業(yè)集團CEO林建強也給予了項目積極的評價：“目前功率半導體的應用廣泛，這是一個很有發(fā)展前景的項目，團隊突破‘卡脖子’技術(shù)的同時還具備了高集成度、可定制化等獨特亮點?！?/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市場的考量，“匯芯的客戶主要為各大電控板設計公司，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。”據(jù)介紹，公司成立第一年銷售額就超過2000萬，今年的銷售額同比超過4倍，“這是市場給予我們產(chǎn)品的認可?！?/p>廣東匯芯半導體有限公司成立兩周年時團隊合影留念。受訪者供圖

作為一個初創(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，左安超告訴記者，團隊的研發(fā)將繼續(xù)沿著高集成、小型化的方向開發(fā)智能半導體模塊，并實現(xiàn)產(chǎn)品在工業(yè)和消費、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)帶來全新的可能性以及革命性的變革，同時讓公司成為有行業(yè)影響力的智能功率模塊供應商?！?/p>統(tǒng)籌：尹來 程小妹采寫：見習記者 楊曉彤 實習生 鄭世艾