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40年研究、两度卖房,82岁老教授研发中国第一代IGBT、GATH管,获10多项专利,他还要造50k

曹文密 04月16日 创业案例
一颗中国“芯”是如何诞生的。

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世界功率器件市场规模220亿美元,国内市场占一半以上。但90%依赖进口,特别是高端芯片。”李思敏感慨,九十年代那会儿,国产与国际先进水平的半导体器件仍然有很大差距。

上世纪80年代,中国半导体器件从第一代电子管向第二代晶体管的过渡,而世界已经进入现代电力电子器件时代,IGBT即将成为主流。

直到九十年代,中国的第一支高压IGBT才诞生,这款芯片由功率半导体器件专家黄勤设计,李思敏负责工艺制作。

半导体行业按照产品分为两大类,一类相当于人类的大脑神经,这就是目前闹供应荒的紧缺的集成电路芯片(Integrated Circuit Chip);另一类相当于人的四肢,被称为功率半导体器件(Power Semiconductor Device),中高端产品同样高度依赖进口。

IGBT,绝缘栅极双极型晶体管,小到电焊机、电磁炉,中到新能源汽车充电桩,大到轨道交通、电网、航空航天、风电风机运转的“CPU”都是它,应用场景广泛。

在半导体芯片这样的重要技术元件上,越是依赖进口,就越是容易被进口国家“卡脖子”。

2020年,中美关系陷入紧张,美方宣布对部分中国企业进行制裁,严密监控对中国的芯片出口,一场没有硝烟的战争就此拉开。而随着疫情到来,全球陷入芯片短缺危机,加快了中国功率芯片研究的步伐。

半导体芯片技术是几乎所有现代技术的基础,高铁、轨道交通、风电、电网、船舶、军工、大型设备等国家支柱行业都离不开功率芯片。

然而设计制造一款新型芯片,动辄耗费千万、耗时数年。

主要难在架构设计、制造工艺、研发周期上:设计一款芯片,科研人员要芯片“规范”,定义诸如指令集、功能、输入输出管脚、性能与功耗等关键信息,将电路划分成多个小模块,清晰地描述出对每个模块的要求。然后由“前端”设计人员根据每个模块功能设计出“电路”,运用计算机语言建立模型并验证其功能准确无误。“后端”设计人员则要根据电路设计出“版图”,将数以亿计的电路按其连接关系,有规律地翻印到一个硅片上。至此,芯片设计才算完成。如此复杂的设计,不能有任何缺陷,否则无法修补,必须从头再来。

制造工艺复杂。一条芯片制造生产线大约涉及50多个行业,一般要经过2000至5000道工艺流程。

投入大、研制周期长。一款复杂芯片,从研发到量产,要投入大量人力、物力和财力,时间至少要3至5年,甚至更长。IC是如此,功率芯片也是如此。

研发一款新芯片需要研发团队、资金、产业链相互配合,其中研发者对新技术路线的判断与坚持尤为重要。

“在半导体的路上,没有捷径,我们只能去走最艰苦的道路。现在做最难的事才能让以后变得容易。”李思敏的女儿李连宇告诉小饭桌。 

992ec00509d1e4a30da4b5b441ffa58d.png- 功率半导体的应用范围 -

李思敏是中国第一个高压绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的参与制造者,创立了半导体公司优捷敏,先后研发了GAT管、GATH管,获得10多项中国专利。如今李思敏已82岁,依旧在技术研发上孜孜不倦:他新开发出的取代MOS管的逆导型联栅晶体管(RCGAT),已进入流水线制造阶段。

 82岁的李思敏与他的芯片梦

7aa717448565f0bdb425a25a3e02cc40.jpg- 优捷敏创始人&CTO李思敏 -

李思敏的芯片梦植根于青少年时期。1956年,16岁的李思敏考上了北京大学物理系,学习半导体物理;大学时,李思敏曾和同学们目睹前苏联的人造卫星飞过头顶,在那个技术匮乏、工业基础薄弱的年代,这群青年人在心中默默地埋下了科技报国的种子。为着这颗种子,李思敏付出了半生的时间。

大学毕业后,李思敏被分配到了北京市无线电器件研究所。1983年,参加了与清华大学微电子所联合攻关的8085微处理器的工作。他的经历覆盖了半导体行业多个产品领域。

上世纪80年代初,全世界的第三代半导体功率器件研究正如火朝天。以金属—氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为主的第三代功率器件兴起,彼时的中国,正处于百废待兴的改革开放浪潮之中,半导体器件还在从第一代电子管向第二代晶体管过渡。

而当时,IGBT的核心技术和产业为大多数欧美、日本半导体厂商所掌控,全世界的IGBT芯片的进口都仰赖于此,中国也不例外。

那时期,中国开始实施“八五”国家重点科技项目(攻关)计划,在电力电子器件及应用方面力争突破,改变在电子技术发展上受制于人的状况。

半导体器件专家黄勤通过朋友介绍,认识了时任北京半导体器件研究所高技术实验室副主任的李思敏。1987年,由黄勤设计,李思敏负责工艺制作,二人合作研发出了中国第一支高压IGBT,打破了国际上的垄断。

1988年,北京市电子振兴领导小组办公室举行了一场头脑风暴,集齐半导体业界最优秀的人才,每半个月召开一次中国电力电子研讨会。在这场汇集了全中国最优秀、最有天赋的半导体研究人才盛会上,李思敏接受了来自国内外的先进的半导体研究思路。这场学术之旅,为他后续自主创新GAT、GATH管埋下了种子。

1994年,李思敏被派到美国学习最新的半导体器件沟槽型IGBT全套技术,为回国后的研究工作打下基础。回国后,正当李思敏准备将学成技术大展身手之时,却遇上了90年代的银行改制。原来合作的银行不再投资李思敏所在公司的电子电力研究项目,李思敏的研究之路中断。

1996年,为了提升国产IGBT的性能,使之能够以较低成本和高适配性快速推向市场,李思敏开始对现有的IGBT结构进行优化,进而创新了另一种架构——联栅功率管,发明了一种特殊的细微元胞(~10微米)的GAT(联栅晶体管)。相较于IGBT,GAT管的优势在于发热低、能效高,安全工作区大。

在1996年到2012年之间,李思敏和北京山贝公司、深圳盛元半导体公司合作,卖出上亿只GAT管。

2012年,李思敏成立优捷敏公司,一心埋头钻研做技术,希望能够突破限制,让中国企业能够放心使用国产半导体芯片。在李思敏的女儿李连宇为父亲的芯片梦奔走寻求融资时,投资人的一句话,让他们醍醐灌顶,从而开启了转型之路:“产品这么好的特性,高压大电流也是咱们国家急需的,节能灯不需要这么好的特性,你这个技术为什么不做高压大电流?”李连宇说。

李思敏自此开始研究高压大电流产品。在前期GAT管技术已经非常成熟的前提下,很快,李思敏就在2018年推出了GATH(联栅晶闸管Gate Associated THyristor)。GATH突破了IGBT的最高电流密度,具有耐高温、高功率、鲁棒性更强、低成本等优势,适用于柔性直流输电、轨道交通、风电等高压高电流场景,它在高压大电流的条件下耐用性更长,这也正是中国芯片行业亟待解决的问题。

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- 优捷敏1700V 100A 单颗芯片 -

“公开资料表明,IGBT的最高电流密度是800A/cm2,实验数据表明1200V相同规格的 GATH的电流密度已经达到25000A/C㎡ 。这说明GATH的抗电流冲击能力较强,就好比防洪堤,IGBT是一层楼,GATH抗电流浪涌的防洪堤高十层楼。所以,GATH的鲁棒性远远强于IGBT。”李思敏描述。

d3f0a343e83148ea03628afb374f76d9.jpg - 优捷敏1700V 400A GATH 六寸片 -

既然成本更低、耐用性更强,为何技术在国内迟迟得不到应用推广?

“我们做的是基础创新。一个产业,还需要协同创新和系统创新。我们只有做芯片的能力。”李思敏说,芯片研发出来之后,还要封装模块、开发驱动线路,制作成整机,检测鉴定,然后进行市场推广。

“这是一个很大很复杂的生态系统。我们是无能为力的。”李思敏说。

柔性直流输电、高铁、风电等大项目的系统集成,非个人一己之力能为。“从电压型再换回电流型,线路和系统的整机测试,需要大公司或者国家支持才能做。”曾经赴美学习的李思敏感触很深,美国的产业链协同创新和系统创新已经配合很成熟,而国内缺乏这种协同创新。

目前GATH产品最高耐压已经做到1700V 400A,李思敏也因此先后获得10多项中国发明专利,正在申请国际发明专利。而李思敏认为,如果有资金支持,很容易做出来3300V 、6500V 、甚至8000V 200A(8吋线) GATH产品。李思敏认为,GATH将在柔性直流输电和特高压领域发挥重要作用。

西电东送,实现风电、光伏、整个可再生能源在全国范围内的配置,预计“十四五”期间直流输电工程总投资规模接近4000亿元,其中功率半导体(IGBT、晶闸管)投资450亿元。柔性直流输电在新型电力系统建设中是结构性机会。

柔性直流输电的发展对功率器件提出新的要求:更高电压、更大电流、更低损耗及更高结温。目前,IGBT很难满足柔直的需要。主要是IGBT受结构天花板闩锁的局限,越是高压大电流、高温,IGBT约容易因闩锁引起过流失效。因此,IGBT很难做更大功率规格芯片,IGBT模块功率容量难以再提高。由于闩锁,高压大电流应用IGBT的抗雪崩能力也较脆弱。目前柔直应用4500V/3000A IGBT模块,串并联几百个IGBT模块,损耗大、控制复杂、成本昂贵。为了控制IGBT因闩锁导致的过流失效,采用的故障支路,系统控制复杂,维修成本较高,使得目前柔性直流输电的成本是直流输电的1.5倍。因此,IGBT闩锁的天花板,制约了柔性直流输电的发展。

GATH是一种先进的IGCT,具有晶闸管的高压大电流、高可靠、低成本的优点,又加上联栅结构,把重复单元缩小,突破了IGCT因元胞大,di/dt dv/dt局限,驱动功耗为IGCT 1/10,驱动比IGCT简单得多。

以张北柔直工程为例,如果采用8000V/ 6000A 压接式GATH模块代替4500V /3000A压接式IGBT,可以使柔直电网的电压输出增加一倍,从±500KV增加到±1000KV,柔直电网的额定输出能力450万千瓦能够增大3倍,达到1800万千瓦。并且故障率将大幅度下降,预计降低1-2个数量级。GATH满足柔性直流输电对功率器件高压大功率、抗雪崩能力强、更高结温和更低损耗的要求,将促进柔性直流输电的更快发展。

GATH上市量产难 创始人两度卖房

优捷敏整个团队只有3位成员,创始人李思敏如今82岁,对技术初心不改。CEO是创始人的女儿李连宇,经历过资金链断裂、与合作企业分裂,为技术研发父女二人两度卖房。在40平方米的小屋里,李思敏打造出了自主研发的国产高压大电流半导体器件。

李思敏的女儿李连宇曾是一位大学老师,生活在校园环境的舒适圈里。她曾见到合作企业代表为了买下父亲的技术,反复上门商讨股权合作,最终以父亲坚持自我而告终的失败结局;也曾经历过父亲为了支撑研究,两度卖房的困难时刻,这些经历让她更加坚定,一定要把父亲的半导体技术传承下去。

2012年,李思敏成立优捷敏半导体技术公司,三年后技术成熟,准备推上市场。当时李连宇的弟弟辞了职,一心为父亲跑市场,李连宇和先生商量,把他们自己的房子卖了,给父亲做启动资金。2015年开始,李连宇也从大学校园辞职,开始全职帮父亲跑市场。

a09c99f2c1352c0d2d5f6127c5dfd61b.jpg- 优捷敏半导体CEO 李连宇 -

“做半导体是一件十分烧钱的事情,从人员组建、产品设计、到工厂加工、再到交付给合作企业,这个链条上环节太多,一旦出了问题,企业就会处于生死边缘。很快,卖房的钱就烧完了。”李连宇回忆。

当时优捷敏合作了一家芯片加工厂,虽然优捷敏已经有了一部分订单,但由于工厂产能限制,对产品的产量有要求,如果达不到,就会考虑将这条生产线砍掉,再加上优捷敏资金短缺,有部分货款无法支付,李思敏权衡再三,不想让自己20多年的心血白费,卖掉了自己当时的住房。

卖掉住房后,李思敏搬进了北京北三环40多平方米租来的一室小屋,将这里作为自己的“研究基地”,继续和半导体技术“缠斗”。为了潜心做研究,更是拒绝了女儿搬来同住照顾的请求。

李连宇回忆起自己还是大学老师的时候,父亲因为想专心做自己的技术,而非快速商业化赚取利润,拒绝了深圳一家企业的合作。在没有任何支持和帮助的情况下,父亲依旧坚持每天思考、阅读前沿期刊、自己掏钱购买材料、做实验。有一次她去看望父亲,聊到了夜里11:30,起身准备离开的时候,回过头就看见70多岁的父亲,在昏暗的灯光下,佝偻着背,做实验,像一个孤军奋战的战士。

“在科学上一旦有一个新想法,他马上就要去动手去做实验。”李连宇说,“我回头看他那一瞬间的时候,我就想我一定要帮我父亲做这个东西,这是父亲的一辈子科研成果,这是我们国家核心的东西,我一定要保持下来。”

李思敏希望自己的技术能够应用于更大的场景,如柔性直流输电 、轨道交通、光伏、储能、风电、新能源汽车等。

李连宇认为,工艺、材料、设计决定了一个芯片的品质。

“我父亲花几十年的时间不是在做一个单个产品,而是在研发一整个工艺平台。”

芯片的制造工艺包括湿洗、光刻、离子注入、蚀刻、等离子清洗、热处理、化学气相淀积、物理气相淀积 、电镀处理、化学/机械表面处理、晶圆测试、晶圆打磨、封装等多个环节。

从1996年研发GAT开始,到今天推出GATH管,形成一整套完善的工艺流程,前后20多年。

在工艺平台成熟后,芯片的底层结构就不需要大调整,剩下的就是一些微调。一方面是外延片。

另一方面是设计,好的设计可以用最大化发挥芯片的效能,现在,李思敏教授一般用一两周就可以做好设计。

如今优捷敏不再处于0-1的研发阶段了,现在可以基于工艺平台快速推新产品上市。

GATH管虽然在实验数据上表现优异,远强于IGBT,但由于缺乏整机测试、广泛的场景测试、极限测试等,暂时没有人给出准确的结论和明朗的前景。

但幸运的是,2021年底,优捷敏获得了国家电网的支持,入驻了“双创孵化平台”。有了国家的支持,李思敏终于能够够实现对GATH周边线路调整、测试芯片的各种特性,也是在国家电网的支持下,优捷敏开始制作光伏和风电领域制作样机。同时,李连宇也继续帮助父亲寻找天使轮融资,希望扩大团队,扩大生产能力。

“我父亲常说,这件事情我死了也会有人做。我曾经很疑惑,你如果死了,怎么还会有人做?但他相信联栅架构是功率器件底层架构的创新,这个方向一定会有人继续做好它。”李连宇说。

李思敏坚信联栅架构的功率管GATH和GAT,优于绝缘栅架构的功率管IGBT,MOS和第三代半导体SIC MOS。GATH的鲁棒性十倍于IGBT,GAT的高能效和高功率密度与SIC MOS相当而成本仅为其20%。

李思敏新开发出了取代MOS管的逆导型联栅晶体管(RCGAT),已进入流水线制造阶段,2022年底将面世。RCGAT是新能源电动车充电桩的核心零部件,可解决快充问题。GAT具有高频(100KHz)、高功率密度、高能效、低成本的优势,可以提高整机功率密度,优化散热系统,缩小充电模块体积,将成为解决电动汽车里程焦虑的功率芯片的新技术路径。

“国内尚未有50kw以上的快充功率器件。”李思敏说,珠三角一些制造商已经找上门来等流片了。

也许优捷敏不会是第一个完成GATH管整机测试的公司,李思敏也不会是那个“第一个吃螃蟹”的人,但在国产半导体功率器件的这条路上,永远都会有他们的影子。


* 张艺炜对本文亦有贡献

参考资料:

1资料来源:一种新型IGCT——GATH

https://www.dianyuan.com/article/57445.html

2资料来源:一种新型高能效低成本功率器件 ——联栅晶体管GAT

https://www.dianyuan.com/article/59336.html

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