功率半导体充当节能先锋 中国企业加快步伐

2009年11月25日 09:11    李宽
关键词: 半导体 , 步伐 , 功率 , 先锋 , 中国
来源:中国电子

  过去,人们常把集成电路比作电子系统的大脑,而把功率半导体器件比作四肢,因为集成电路的作用是接受和处理信息,而功率器件则根据这些信息指令产生控制功率,去驱动相关电机进行所需的工作。如今,新型功率半导体器件如MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)及功率集成电路应用逐渐普及,其为信息系统提供电源的功能也越来越引人注目。功率半导体器件在电子系统中的地位已不仅限于“四肢”,而是为整个系统“供血”的“心脏”。

  市场增速回升

  随着世界各国对节能减排的需求越来越迫切,功率半导体器件在变频家电、工业控制、电动及混合动力汽车、新能源、智能电网等诸多产业获得了广泛的应用空间。如今,中国正在成长为全球最大的功率半导体市场。以电动汽车应用为例,每辆电动汽车约需要一片6英寸IGBT晶圆;当中国电动汽车销量达到目前国内汽车销量的10%时,每年最少需要100万片6英寸IGBT晶圆。中国电器工业协会电力电子分会秘书长肖向锋告诉《中国电子报》记者,从2005年到2008年,我国功率器件市场平均年增长率为23%,2008年市场销售额达1016.2亿元;新型电力电子器件即高频场控器件的市场需求增速更快,2005年到2008年平均增长率为30%,2008年市场销售额达 800亿元。

  不过,国际金融危机对我国功率半导体器件市场也造成一定影响。江苏宏微科技有限公司总经理赵善麒在接受记者采访时表示,2008年,我国功率器件市场比上年增长7.8%,与前几年两位数的增长率相比有所放缓;但是,由于国家拉动内需政策的出台以及对节能减排的要求,我国的功率半导体器件在未来几年里还会保持增长,到2011年,年增长率将达到10%以上。

  国际金融危机对全球功率半导体产业的影响更大。“受到各行业设备投资、订货、产量减少的影响,在最低谷的时候,功率半导体市场比高峰期减少了50%。”三菱电机机电(上海)有限公司董事总经理森敏告诉记者,“不过,从今年春天开始,由于各国政府经济刺激政策的实施,尤其是中国政府投入4万亿元对投资和消费的拉动,产业景气度开始逐渐恢复。”

  家电应用凸显高能效

  与工业应用相比,家用电器虽然单台耗电量较低,但由于其应用范围广、产品数量巨大,因此,国际主流厂商对功率半导体器件在家用电器领域的应用也非常重视,他们纷纷推出自己的创新产品,力图在家电领域占有更大的份额。如何实现家用电器的节能?以空调为例,提高空调能效的关键在于提高空调压缩机、电机、风机、换热器等核心零部件的工作效率,其中,压缩机占据了空调耗电量的80%左右,而且,由于空调的风机也需要使用电机进行驱动,电机占据了压缩机和风机耗电量的绝大部分。

  “飞兆半导体的SPM产品系列高集成度电机驱动解决方案可用于驱动空调、洗衣机、吸尘器和许多其他商业和工业应用的高效变频电机,使产品比机械电机节能达40%。”飞兆半导体中国及东南亚地区销售及市场推广部副总裁陈坤和在接受《中国电子报》记者采访时表示,“飞兆半导体还提供用于感应加热炊具的IGBT,其1200VFieldStop(场截止)IGBT具有更好的传导损耗和开关损耗平衡,以实现效率最大化,确保电器能够快速、准确地达到所需温度。另外,飞兆半导体的FieldStopIGBT具有较低的传导损耗和开关损耗,因而电器的工作温度得以降低,可实现更佳的系统稳定性、更高的能效和更长的使用寿命。”

  安森美半导体亚太区计算及消费产品部市场推广经理蒋家亮则表示,在中国的白家电应用中,安森美半导体的电源管理方案主要针对提升能效的应用。 “由于能效要求变得更加严格,前一代的线性电源设计方案无法符合标准,因此,大多数应用开始转向能效更高的开关电源方案;同时,新的设计方案也保持了具有竞争力的方案成本。”蒋家亮说。

  变频化是家用电器的发展方向,在减少二氧化碳的排放量和电力消耗的同时,还能实现优化控制。在功率半导体领域,要提供有竞争力的产品,除了在芯片的设计与制造领域拥有领先的技术之外,还要在模块封装方面做足文章。“过去,家用电器的功率器件主要使用盒式模块。从1997年我们公司首先开发出DIPIPM(双列直插式智能功率模块)以来,现在已发展到第四代。”森敏介绍道,“日本、韩国和中国的很多工厂在变频空调的室外压缩机控制部分使用了三菱电机的DIPIPM,特别是今年以来,中国的各空调厂商大力推广变频化,DIPIPM的需求量大幅增加。”

  中国企业寻求技术突破

  尽管我国已经成为全球功率半导体产业的重要市场,但我国功率半导体器件的设计、制造能力还有待提高,我国功率半导体企业的生产条件和工艺技术大多仍停留在国外上世纪90年代的水平,关键技术仍掌握在少数国外公司手中。据统计,目前国内市场所需的功率半导体约有90%仍然依赖进口,缺乏核心技术将严重阻碍中国新兴节能产业的发展。“像IGBT这样的高端功率半导体器件基本上完全被国外厂商垄断,国内产品市场认证周期非常长,而且获得的市场认可度不高。”赵善麒不无遗憾地说。

  华虹NEC市场部技术市场科科长陈俭在接受《中国电子报》记者采访时也表示:“欧美和日本企业凭借着产品质量好、技术领先,在功率半导体市场中占据绝对优势地位。近几年,我国台湾地区的企业依靠产品的高性价比也在市场上占据了一席之地,而中国大陆企业由于起步较晚,技术和市场都相对落后,市场占有率不高,在功率器件市场上的竞争力还很弱。”不过,他同时也指出,功率器件市场是高度分散的,在该领域,全球最大的两家企业的份额也只有10%左右,对于中国企业而言,只要看准市场,成功的可能性还是很大的。

  在新技术、新产品的开发方面,中国企业也在不断取得突破。据赵善麒介绍,宏微科技承担了科技部“十一五”重点支撑项目“新型电力电子器件及电力电子集成技术”中的IGBT和FRD(快速恢复二极管)芯片的研制和生产,目前,已研制成功电流为75A、100A,电压为1200V、1700V的IGBT和FRD,主要参数已达到国际同类产品的先进水平;与此同时,宏微科技与国外企业合作,开发了铝带焊接新工艺,并成功地应用于IGBT和其他模块的生产中。

  在芯片制造方面,中国企业也取得了长足进步。据陈俭介绍,面向电源管理IC市场,华虹NEC在2005年就开始了BCD(双极-CMOS- DMOS)工艺的开发,其BCD工艺是目前国际上最先进的BCD量产技术之一,也是国内目前唯一的0.35微米BCD工艺技术平台。目前华虹NEC是国内能提供8英寸功率器件最主要的代工厂之一,相对其他4-6英寸的功率器件生产线,华虹NEC的8英寸代工生产线可以做到线宽更小,同样的面积可得到更多的管芯,通过对工艺的精确控制使器件最小可达到0.11微米的工艺水平。同时,华虹NEC开发的8英寸沟槽式MOSFET工艺克服了平面器件面临的成本压力,极大地提升了客户产品的竞争力。

  功率半导体器件的应用领域

  功率半导体器件的主要应用领域是开关电源、电机驱动与调速、UPS等等。因为这些装置都需输出一定的功率给用电器,所以电路中必须使用功率半导体。功率半导体的另一重要应用领域是发电、变电与输电,这就是原本意义上的电力电子。任何电器设备都需要电源(尽管有些设备电源是内置在机箱中),任何用电机的设备都需要电机驱动(小至计算机风扇和家电,大至矿山机械,电气机车,轧钢机等等)。功率半导体的应用之广泛已是在国民经济各领域和国防工业中无所不在。

  MOSFET在功率器件中增速最快

  2008年,中国MOSFET市场需求量为198.2亿颗,比2007年增长了11.9%,是各类功率器件中市场需求成长速度最快的一类产品。从应用结构上看,由于MOSFET在便携式产品、液晶电视等消费性电子产品中的广泛应用,使得消费性电子成为MOSFET最大的应用市场;而凭借着MOSFET在主机板中的大量应用,计算机领域居次;工业控制则是MOSFET的第三大应用领域。
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