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卖房研发芯片的81岁老科学家,告诉我们中国“芯”到底缺什么 

“最难的不是技术,技术的变革没那么复杂。最难改变的是观念。”李思敏指指头。

81岁的半导体科学家李思敏清瘦矍铄,独居在北京北三环40多平方米租来的一室小屋。这是一个标准的科研工作者居所的样子:卧室就是他的实验室,桌子上、阳台上全是电路板和管线。

李思敏常常在这间小蜗居工作到凌晨两三点。只要有新的想法,他就会反复做实验来验证。

随着年纪越来越大,女儿提出和他同住以便照顾。李思敏则说,需要独立空间思考和做实验,以后再说。

李思敏一辈子都在研发功率半导体器件芯片。他是中国第一个高压绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)的参与制造者。

IGBT是小到电焊机、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”。

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从电磁炉到充电桩,再到轨道交通等,都会用到IGBT。/Pexels

中国缺“芯”不是一天两天了。不论是集成电路芯片(IC),还是功率半导体器件,高端产品几乎都从美日欧进口。

多年来,李思敏甚至自掏腰包卖了仅有的住房做功率半导体芯片研发,想要打破国外“电压型”IGBT路线的垄断。

“现在,芯片和模块都能生产出来了,单项检测的结果远远强于IGBT,就缺整机测试。”李思敏对《新周刊》记者说。

整机测试是产品从科研到市场应用的临门一脚,也是成本最高的重要一环。

“整机测试凭我的力量做不了,只能国家或者大公司牵头来做。”李思敏以高铁为例,整机测试至少要花费一两年。

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以高铁为例,整机测试至少要花费一两年。/Pexels

第二次工业革命的小尾巴

1956年,16岁的李思敏考上了北京大学物理系。李思敏是广西桂林人。他记得,那一年,自己取得了广西壮族自治区高考的第二名。“第一名也在北大,去了数学系。我的专业是半导体物理。”他回忆道。

李思敏这一代人,生逢国家工业基础薄弱、亟待建设的年代。

大学时代的一个夜晚,李思敏和同学们看到头顶飞过苏联的人造卫星,兴奋得跳起来。选择了科技报国的年轻人第一次见到实体卫星,激动之情溢于言表。旋即,一位同学感慨道:“如果中国的卫星飞上天,那我就高兴得从这楼上跳下去。”

李思敏对这个场景印象很深。恰同学少年的意气风发和为国争光的情怀,成为他后来选择自主研发半导体器件的信念支撑。

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,我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。”李思敏说。他的经历覆盖了半导体行业所有产品领域。

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,叫做电力电子器件,也叫功率半导体器件(Power Semiconductor Device),中高端产品同样高度依赖进口。

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半导体行业分为两大类,一类相当于人的大脑神经,一类像是人的四肢。/Pexels

李思敏从事的正是功率半导体器件芯片设计工作。

功率半导体器件是第二次工业革命的产物。功率半导体器件的历史,要追溯到19世纪发明灯泡的爱迪生。

1883年,爱迪生在研究白炽灯泡的寿命时,在灯泡的碳丝附近焊上两小块金属片。他发现,金属片虽然没有与灯丝接触,但如果在它们之间加上电压,灯丝就会产生一股电流,趋向附近的金属片。这个现象被称为“爱迪生效应”。

爱迪生把这个效应申请了专利之后,他本人并没有继续研究下去。他忙于成立实验室和开公司,在1892年成为美国通用电气公司(GE)的创始人之一。

1904年,在爱迪生伦敦事务所里当顾问的英国人弗莱明,首次利用“爱迪生效应”,研制出一种特殊灯泡“热离子阀”,后世称之为“真空二极管”。这是世界上第一只电子管,最先被应用到无线电报的接收机上。世界进入电子时代。

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世界上第一个真空管。图/360doc.com

弗莱明的真空二极管只有检波与整流的功用,而且不稳定。1906年,经美国发明家德·福雷斯特的改良,弗莱明的玻璃管内添加了栅栏式的金属网,形成第三个极,由此三极真空管出世。1947年,美国贝尔实验室发明了晶体管。世界由电子管时代进入晶体管时代,电力电子真正成为一门学科。

在此基础上,1957年,爱迪生参与创办的美国通用电气公司生产出全球第一个晶闸管,也称可控硅(Silicon Controlled Rectifier,简称SCR)。这是第一代半导体器件。

这是一种半控制型的大功率电器元件,只要在控制极加上很小的电流或电压,就能控制很大的阳极电流或电压。

“它的缺点很像一个房子,开了门之后关不上,要想关上,得把房子倒过去。”李思敏用了个比喻,来说明晶闸管的门极只能控制其导通、不能控制其关断的局限性,晶闸管的工作频率一般低于400赫兹。

上世纪六七十年代,全控型第二代半导体器件应运而生,以门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极型晶体管(BJT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)为代表。

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李思敏租住的一室小屋。图/周洲

“第二代功率器件,属于电流型半导体器件。”李思敏介绍道。集成电路和微电子技术,促使这些电子器件朝着小型化和功能化方向发展。

上世纪80年代初,以金属—氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)为主的第三代功率器件兴起。第三代功率器件也叫现代电力电子器件。

“这是电压驱动型的半导体器件,占据主导地位,目前还没有出现替代品。”李思敏说,半导体功率器件的生命周期很长,至少50年。“现在报道上说的第三代半导体,指的是第三代半导体材料,不是第三代半导体器件。”

中国半导体往事

上世纪80年代,当世界已经进入第三代半导体器件时段,中国的半导体器件还在从第一代电子管向第二代晶体管过度。

原北京电子管厂的集成电路科研工作者朱贻玮在《未曾忘却的记忆:回旋在酒仙桥地区的集成电路梦》写到,原北京电子管厂是中国第一个五年计划期间由苏联援助建设的156项工程之一,是上世纪60年代亚洲最大的电子管厂,成立之初,主要生产第一代半导体电子管,后来也生产第二代晶体管。

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北京电子管厂(774厂)厂区楼房。图/朱贻玮

 

新中国的半导体历史,是留学归来的技术人才和本土培养的精英的奋斗史。海归们在研究所“引进吸收”,本土精英在工厂产线上和工人们一起“自力更生”。

朱贻玮提到,上世纪60年代,中国有多家单位进行集成电路研发,北京的研究单位有中国科学院半导体研究所、中国科学院计算技术研究所156工程处和北京市无线电器件研究所,石家庄有13所(河北半导体研究所)。

工厂方面,北京酒仙桥有原北京电子管厂,上海有元件五厂。说酒仙桥是中国半导体的摇篮一点不为过。

1967年,中国由于“三线建设”的需要,第四机械工业部(简称“四机部”)决定筹建独立的集成电路工厂。

老北京电子管厂抽调人马,历时十年,参与筹建的北京东光电工厂(878厂)在1978年终于建成。878厂和脱胎于上海元件五厂五车间的上海无线电十九厂,成为集成电路工厂的南北“两霸”,每年春秋召开全国电子元器件订货会议。计划经济时代,在订货桌前排长龙订货的盛况延续了10多年。

当时,国内的研究所和南北两家工厂基本上是各自独立研究。

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彼时,国内的研究所和南北两家工厂基本上是各自独立研究。/Unsplash

北京电子振兴领导小组办公室的王正元和孙亲仁,在1988年写了一篇情词迫切的建言,列述中国半导体产业令人忧心的状况。

国际上,自半导体问世以来,电子技术朝着两个方向发展,一个以信息为方向发展成为微电子技术,另一个向功率方向发展成电力电子技术。

中国认识到了微电子技术的重要性,但由于技术差距和资金不足,处于困境;而电力电子技术,还未引起足够重视。

1972年,北京大学电子仪器厂研制出中国第一台100万次大型电子计算机之前,中国半导体的生产是“集成电路不如晶体管,晶体管不如电子管”一代不如一代局面。

王正元和孙亲仁在《电力电子技术与我国电子产业的发展战略》中提到,当时制造经营微电子器件的美日欧各大电子公司,积极发展智能化半导体器件,而国内还处在微电子和电力电子“老死不相往来”的技术阻隔、“电力电子技术简单低级不能成为气候”的偏见中。

1988年,北京市电子振兴领导小组办公室举行头脑风暴,打破技术和所属部委的分隔,集齐半导体业界最优秀的人,每半个月召开一次中国电力电子研讨会。

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曾经的头脑风暴给了这些天才科学家们科研方面的积累。/Unsplash

天才成群结队而来。这也许是中国史无前例的功率半导体人才大会师。李思敏参加了人才济济的头脑风暴。“国家很重视。国内各个工厂、研究院、大学的专家、教授都集合在一起,各门类的电力电子人才交流碰撞学习。”

常常饿着肚子搞科研的参会者们还惊喜地获得了“管饭”的待遇。

珍贵的头脑风暴持续了半年。李思敏说,他后来的研发受益于此时的积累。

第一支国产高压IGBT

李思敏的设计创新,来自他在任何地方都不断学习和思考的习惯,也受益于改革开放带来的机会。

上世纪80年代,国际上已经研发出第三代半导体器件IGBT,特点是效率高、切换速度快,主要用于电动车辆交流电电动机的输出控制,德国英飞凌(原西门子半导体部门)和日本三菱为技术上第一梯队的强者。

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交流电电动机。/Unsplash

国际著名的功率半导体器件专家、中国科学院院士陈星弼的学生、半导体专家黄勤,正研发中国第一支高压IGBT,需要合作者。

恰好,陈星弼的另一个学生是北京半导体器件研究所的总工程师。他找到时任所里高技术实验室副主任的同事李思敏,建议学半导体出身的李思敏和黄勤进行合作。也在那时,李思敏接触到了留美回国的陈星弼。

李思敏帮助黄勤,用北京市科委支持的高技术室的实验条件,制作出中国第一支高压IGBT。

“这第一支国产高压IGBT,是黄勤设计,我负责工艺制作。”李思敏忆道。多年后,在国外半导体界颇有声望的黄勤回国还到访李思敏家,李思敏的老伴做了家常菜,几人一起围炉忆当年。

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围炉忆当年。/电影《饮食男女》剧照

上世纪80年代末至90年代中期,半导体行业曾获政府大力支持,一方面因为工业信息化和自动化“两化”需要,另一方面是中国外汇紧缺,急需电力电子行业改变进口局面,出口换汇。

1991年,根据1988年《国家重点科技攻关项目的选择》和科学技术中长期发展纲要中提出的重大科学技术问题,中国开始实施“八五”国家重点科技项目(攻关)计划,对农业、交通、重大装备、主要原材料等领域共安排了180个重大项目,投入了90亿元资金。

电力电子器件及应用方面,中国提出坚持基础与应用并重的方针,力争在“八五”期间有大突破,逐步改变在电子信息技术发展上受制于人的状况。

王正元集合了北京市功率半导体的各路人才,组建了北京市电力电子新技术研究开发中心,并策划成立了合资公司,以完成“八五”IGBT攻关任务。

1992年,李思敏被调入中心,进入合资公司,1994年,被派到美国学习最新的半导体器件沟槽型IGBT全套技术。

赴美前,他先在国内花了大半年时间,消化4本厚厚的资料,经过培训,方动身前往。

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赴美前,李思敏阅读了大量的材料和文献。/Pexels

李思敏很珍惜这个机会。“学习就是为了超越,所以格外用心。”他回忆道,美国同行对自己很尊重,美国某公司技术副总裁夸李思敏:“李,你已经是这方面的专家了。”这位技术副总裁还指着李思敏对总裁说,某方案是李思敏发明的,“解决了我们一个关键问题” 。

回国后,李思敏任职的合资公司迅速完成了IGBT生产技术的消化吸收,准备量产,却也赶上政策巨变。

此前支持电子振兴的各大银行改制成商业银行,不再支持相关项目,电力电子中心参与的合资公司经营困难,给李思敏他们只发一半工资,允许他们自谋生路。

高端芯片90%依赖进口

李思敏深谙,作为科研者,必须与市场接触,否则只是纸上谈兵。

1996年,离开合资公司后的李思敏来到北大同学引荐的一个公司,进行基于自对准技术的半导体器件制造,出现问题卡了壳。该公司的老板基于商业考虑,透露出不愿意继续投钱的想法。

李思敏着急了三天,尝试各种方法。从前的学习和积累就像蛰伏的种子,不知几时春风一吹,这些种子便借着偶然的机会破土发芽。

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从前的学习和积累就像蛰伏的种子,春风一吹便破土发芽。/Unsplash

李思敏突然想出了“多晶硅发射极联栅晶体管”的结构。

“这个不是日本人的GAT。日本人的GAT,元胞很大,成本高,拼不过双极管BJT。”李思敏说,自己研发的GAT,元胞只有双极管的1/10,管芯面积只有BJT的1/4。“当年(管芯面积)为BJT的1/3。”他补充道。

该公司使用李思敏的GAT技术生产节能灯,在上世纪90年代中后期钱特别值钱的年代,创造了1200万元的年营业额和300万元的年利润。2009—2011年,李思敏与珠三角一家公司合作,这家公司用李思敏的技术,生产销售GAT功率管过亿只。

李思敏本色上是科学家,不是商人,他不愿被上市、股权这些事过多分散精力。2012年,他成立了优捷敏半导体技术有限公司,2019年获得杭州青山湖科技城产业扶持,总部从北京迁往杭州。

由于心思都放在了科研上,李思敏没去路演募资,研发资金很紧张。为研发芯片,他卖掉了仅有的一套住房,租了熟人一个无电梯的五楼一居室。工作多年的女儿为了支持父亲,也卖掉仅有的一套住房,全部投入芯片开发和应用。

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由于资金紧张,父女俩先后卖掉了自己的住房。/Unsplash

此前,飞利浦公司曾经想了解李思敏的GAT管技术和购买专利。这是一笔数目可观的资金。如果卖了,李思敏就成了富豪,但专利自此之后就跟自己无关了。李思敏没有同意出售。

为了掌握功率半导体全球前沿技术和最新动向,专利文献馆是他周日必去之处。

他连续10多年订阅了英国德温特专利文献。德温特专利文献是全球专利的集合和浓缩,一年发行50多本。

“跟功率半导体有关的,每一本有二三十页。”李思敏查看了上千份国际专利,把有用的都做了笔记,重要专利还查阅了原文。“我从中得到很多启发。”

李思敏先后研发了GAT管、GATH管,获得10多项中国专利,也正在申请国际专利。

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李思敏的GATH管正在申请国际专利。/Unsplash

李思敏为GATH管的验证,奔走呼吁了3年。

电压型半导体器件已流行30多年。2018年,李思敏将前述的电流型器件IGCT做了结构创新,成为新型器件联栅晶闸管(Gate Associated THyristor ,简称GATH)。

IGCT由全球著名的机器人公司ABB于1997年最先提出。由于其开关速度慢、驱动功耗大,圆片管芯、应用领域受限等弱点,中高功率半导体器件领域由IGBT占据主流地位。

“IGCT的这些弱点,源于 IGCT 的元胞大(1mm),元胞内部的电流不均匀,内阻大,驱动困难。”李思敏说,他研发出一种联栅结构,能够把元胞尺寸缩小到跟MOSFET、IGBT差不多,从而解决IGCT的难题。

“联栅结构是功率器件芯片的新结构,突破了IGBT闩锁瓶颈、 ICGT的局限。”李思敏说,单项实验的结果表明,GATH的电流能力是IGBT的10倍,1200V IGBT的电流密度达到2000-2500A/C㎡就会闩锁烧毁,而1200V GATH的电流密度已经达到25000/C㎡ 。

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大型项目像是高铁、电网,对半导体器件的首要要求是耐用。/Unsplash

“高铁、电网和轨道交通等大型项目,对半导体器件的首要要求是耐用。半导体器件烧毁的原因主要是电流密度过大。”李思敏讲,GATH的电流密度能够比IGBT大10倍,就相当于GATH的“防洪堤”比IGBT高10倍,也即GATH的耐用度至少是IGBT的10倍。

单项实验表明,GATH的开关速度跟IGBT差不多,比IGCT快10倍。“而且,GATH的开关控制也比IGCT简单得多,IGBT的驱动线路加一个转换接口即可。”李思敏说,同样的管芯面积,GATH的电流是IGBT的两倍,即芯片成本节约一半,芯片数量少用一半,节能省材,有助于绿色环保。

“我们做了GATH十几个品种,差不多都是一次成功,而且良率很高。”李思敏说,“这不是我们有什么本事。这个产品太好做了,推广起来很容易,不像IGBT需要很高的设备条件,差一点都不行。”

10多年之前,李思敏曾与美国硅谷的科学家同行们碰面。知道了他的试验结果之后,硅谷的科学家们很惊讶,想要做更深探讨,因为保密意识,李思敏并未深聊。“外国对技术非常敏感。”

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外国对技术的敏感度很强。/Unsplash

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。

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。

这场变革的关键,是电压型占主导地位的半导体器件行业,敢不敢吃螃蟹,用改进的电流型器件做一次整机系统调整。

“没人愿意做第一个吃螃蟹的整机测试者。”李思敏说,即使整机测试效果好,这家企业还是吃亏,因为其他企业只要copy就行了。

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在某种情形下,第一个吃螃蟹的企业总是吃亏的。/Unsplash

李思敏认识一些业界有名气的专家。他请业界大拿们鉴定一下GATH成果,让试验成果说话,专家们都不发声,“因为国外没有,国内也没有” 。

世界功率器件市场规模180亿美元,国内市场占一半以上。“但90%依赖进口,特别是高端芯片。”李思敏叹道。

李思敏反复提及高端芯片的应用领域:高铁、轨道交通、风电、电网、船舶、军工、大型设备等。这些行业是支撑工业强国的柱石行业。

没人知道GATH的命运将如何。

如果足够幸运,GATH有可能像《上帝会掷骰子吗》里提到的光的波粒二象两派之争,粒子派最后抬头,才有了量子力学出头之日,才有爱因斯坦和相对论的出世,物理学才从牛顿力学的宫殿中奔涌而出,向未知神秘的未来再进一步。

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爱因斯坦涂鸦。/Unsplash

GATH整机试验前景不明,李思敏也没有闲着。他新开发出了取代MOS管的逆导型联栅晶体管(RCGAT),已进入流水线制造阶段,今年年底将面世。RCGAT是新能源电动车充电桩的核心零部件,可解决快充问题。

“国内尚未有真正30kw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。

“最难的不是技术,技术的变革没那么复杂。最难改变的是观念。”李思敏指指头。

文章来源:新周刊百家号-卖房研发芯片的81岁老科学家,告诉我们中国“芯”到底缺什么 

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