功率半導體充當節(jié)能先鋒 中國企業(yè)加快步伐

過去，人們常把集成電路比作電子系統(tǒng)的大腦，而把功率半導體器件比作四肢，因為集成電路的作用是接受和處理信息，而功率器件則根據(jù)這些信息指令產(chǎn)生控制功率，去驅(qū)動相關(guān)電機進行所需的工作。如今，新型功率半導體器件如MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應晶體管)、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)及功率集成電路應用逐漸普及，其為信息系統(tǒng)提供電源的功能也越來越引人注目。功率半導體器件在電子系統(tǒng)中的地位已不僅限于“四肢”，而是為整個系統(tǒng)“供血”的“心臟”。

　　市場增速回升

　　隨著世界各國對節(jié)能減排的需求越來越迫切，功率半導體器件在變頻家電、工業(yè)控制、電動及混合動力汽車、新能源、智能電網(wǎng)等諸多產(chǎn)業(yè)獲得了廣泛的應用空間。如今，中國正在成長為全球最大的功率半導體市場。以電動汽車應用為例，每輛電動汽車約需要一片6英寸IGBT晶圓;當中國電動汽車銷量達到目前國內(nèi)汽車銷量的10%時，每年最少需要100萬片6英寸IGBT晶圓。中國電器工業(yè)協(xié)會電力電子分會秘書長肖向鋒告訴《中國電子報》記者，從2005年到2008年，我國功率器件市場平均年增長率為23%，2008年市場銷售額達1016.2億元;新型電力電子器件即高頻場控器件的市場需求增速更快，2005年到2008年平均增長率為30%，2008年市場銷售額達800億元。

　　不過，國際金融危機對我國功率半導體器件市場也造成一定影響。江蘇宏微科技有限公司總經(jīng)理趙善麒在接受記者采訪時表示，2008年，我國功率器件市場比上年增長7.8%，與前幾年兩位數(shù)的增長率相比有所放緩;但是，由于國家拉動內(nèi)需政策的出臺以及對節(jié)能減排的要求，我國的功率半導體器件在未來幾年里還會保持增長，到2011年，年增長率將達到10%以上。

　　國際金融危機對全球功率半導體產(chǎn)業(yè)的影響更大。“受到各行業(yè)設備投資、訂貨、產(chǎn)量減少的影響，在最低谷的時候，功率半導體市場比高峰期減少了50%。”三菱電機機電(上海)有限公司董事總經(jīng)理森敏告訴記者，“不過，從今年春天開始，由于各國政府經(jīng)濟刺激政策的實施，尤其是中國政府投入4萬億元對投資和消費的拉動，產(chǎn)業(yè)景氣度開始逐漸恢復。”

　　家電應用凸顯高能效

　　與工業(yè)應用相比，家用電器雖然單臺耗電量較低，但由于其應用范圍廣、產(chǎn)品數(shù)量巨大，因此，國際主流廠商對功率半導體器件在家用電器領(lǐng)域的應用也非常重視，他們紛紛推出自己的創(chuàng)新產(chǎn)品，力圖在家電領(lǐng)域占有更大的份額。如何實現(xiàn)家用電器的節(jié)能?以空調(diào)為例，提高空調(diào)能效的關(guān)鍵在于提高空調(diào)壓縮機、電機、風機、換熱器等核心零部件的工作效率，其中，壓縮機占據(jù)了空調(diào)耗電量的80%左右，而且，由于空調(diào)的風機也需要使用電機進行驅(qū)動，電機占據(jù)了壓縮機和風機耗電量的絕大部分。

　　“飛兆半導體的SPM產(chǎn)品系列高集成度電機驅(qū)動解決方案可用于驅(qū)動空調(diào)、洗衣機、吸塵器和許多其他商業(yè)和工業(yè)應用的高效變頻電機，使產(chǎn)品比機械電機節(jié)能達40%。”飛兆半導體中國及東南亞地區(qū)銷售及市場推廣部副總裁陳坤和在接受《中國電子報》記者采訪時表示，“飛兆半導體還提供用于感應加熱炊具的IGBT，其1200VFieldStop(場截止)IGBT具有更好的傳導損耗和開關(guān)損耗平衡，以實現(xiàn)效率最大化，確保電器能夠快速、準確地達到所需溫度。另外，飛兆半導體的FieldStopIGBT具有較低的傳導損耗和開關(guān)損耗，因而電器的工作溫度得以降低，可實現(xiàn)更佳的系統(tǒng)穩(wěn)定性、更高的能效和更長的使用壽命。”

　　安森美半導體亞太區(qū)計算及消費產(chǎn)品部市場推廣經(jīng)理蔣家亮則表示，在中國的白家電應用中，安森美半導體的電源管理方案主要針對提升能效的應用。“由于能效要求變得更加嚴格，前一代的線性電源設計方案無法符合標準，因此，大多數(shù)應用開始轉(zhuǎn)向能效更高的開關(guān)電源方案;同時，新的設計方案也保持了具有競爭力的方案成本。”蔣家亮說。

    變頻化是家用電器的發(fā)展方向，在減少二氧化碳的排放量和電力消耗的同時，還能實現(xiàn)優(yōu)化控制。在功率半導體領(lǐng)域，要提供有競爭力的產(chǎn)品，除了在芯片的設計與制造領(lǐng)域擁有領(lǐng)先的技術(shù)之外，還要在模塊封裝方面做足文章。“過去，家用電器的功率器件主要使用盒式模塊。從1997年我們公司首先開發(fā)出DIPIPM(雙列直插式智能功率模塊)以來，現(xiàn)在已發(fā)展到第四代。”森敏介紹道，“日本、韓國和中國的很多工廠在變頻空調(diào)的室外壓縮機控制部分使用了三菱電機的DIPIPM，特別是今年以來，中國的各空調(diào)廠商大力推廣變頻化，DIPIPM的需求量大幅增加。”

　　中國企業(yè)尋求技術(shù)突破

　　盡管我國已經(jīng)成為全球功率半導體產(chǎn)業(yè)的重要市場，但我國功率半導體器件的設計、制造能力還有待提高，我國功率半導體企業(yè)的生產(chǎn)條件和工藝技術(shù)大多仍停留在國外上世紀90年代的水平，關(guān)鍵技術(shù)仍掌握在少數(shù)國外公司手中。據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)市場所需的功率半導體約有90%仍然依賴進口，缺乏核心技術(shù)將嚴重阻礙中國新興節(jié)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。“像IGBT這樣的高端功率半導體器件基本上完全被國外廠商壟斷，國內(nèi)產(chǎn)品市場認證周期非常長，而且獲得的市場認可度不高。”趙善麒不無遺憾地說。

　　華虹NEC市場部技術(shù)市場科科長陳儉在接受《中國電子報》記者采訪時也表示：“歐美和日本企業(yè)憑借著產(chǎn)品質(zhì)量好、技術(shù)領(lǐng)先，在功率半導體市場中占據(jù)絕對優(yōu)勢地位。近幾年，我國臺灣地區(qū)的企業(yè)依靠產(chǎn)品的高性價比也在市場上占據(jù)了一席之地，而中國大陸企業(yè)由于起步較晚，技術(shù)和市場都相對落后，市場占有率不高，在功率器件市場上的競爭力還很弱。”不過，他同時也指出，功率器件市場是高度分散的，在該領(lǐng)域，全球最大的兩家企業(yè)的份額也只有10%左右，對于中國企業(yè)而言，只要看準市場，成功的可能性還是很大的。

　　在新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)方面，中國企業(yè)也在不斷取得突破。據(jù)趙善麒介紹，宏微科技承擔了科技部“十一五”重點支撐項目“新型電力電子器件及電力電子集成技術(shù)”中的IGBT和FRD(快速恢復二極管)芯片的研制和生產(chǎn)，目前，已研制成功電流為75A、100A，電壓為1200V、1700V的IGBT和FRD，主要參數(shù)已達到國際同類產(chǎn)品的先進水平;與此同時，宏微科技與國外企業(yè)合作，開發(fā)了鋁帶焊接新工藝，并成功地應用于IGBT和其他模塊的生產(chǎn)中。

　　在芯片制造方面，中國企業(yè)也取得了長足進步。據(jù)陳儉介紹，面向電源管理IC市場，華虹NEC在2005年就開始了BCD(雙極-CMOS-DMOS)工藝的開發(fā)，其BCD工藝是目前國際上最先進的BCD量產(chǎn)技術(shù)之一，也是國內(nèi)目前唯一的0.35微米BCD工藝技術(shù)平臺。目前華虹NEC是國內(nèi)能提供8英寸功率器件最主要的代工廠之一，相對其他4-6英寸的功率器件生產(chǎn)線，華虹NEC的8英寸代工生產(chǎn)線可以做到線寬更小，同樣的面積可得到更多的管芯，通過對工藝的精確控制使器件最小可達到0.11微米的工藝水平。同時，華虹NEC開發(fā)的8英寸溝槽式MOSFET工藝克服了平面器件面臨的成本壓力，極大地提升了客戶產(chǎn)品的競爭力。

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　　功率半導體器件的應用領(lǐng)域

　　功率半導體器件的主要應用領(lǐng)域是開關(guān)電源、電機驅(qū)動與調(diào)速、UPS等等。因為這些裝置都需輸出一定的功率給用電器，所以電路中必須使用功率半導體。功率半導體的另一重要應用領(lǐng)域是發(fā)電、變電與輸電，這就是原本意義上的電力電子。任何電器設備都需要電源(盡管有些設備電源是內(nèi)置在機箱中)，任何用電機的設備都需要電機驅(qū)動(小至計算機風扇和家電，大至礦山機械，電氣機車，軋鋼機等等)。功率半導體的應用之廣泛已是在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域和國防工業(yè)中無所不在。

　　MOSFET在功率器件中增速最快

　　2008年，中國MOSFET市場需求量為198.2億顆，比2007年增長了11.9%，是各類功率器件中市場需求成長速度最快的一類產(chǎn)品。從應用結(jié)構(gòu)上看，由于MOSFET在便攜式產(chǎn)品、液晶電視等消費性電子產(chǎn)品中的廣泛應用，使得消費性電子成為MOSFET最大的應用市場;而憑借著MOSFET在主機板中的大量應用，計算機領(lǐng)域居次;工業(yè)控制則是MOSFET的第三大應用領(lǐng)域。