電力、電子兩大領(lǐng)域并行發(fā)展

    功率半導(dǎo)體器件在其發(fā)展的初期(上世紀(jì)60年代-80年代)主要應(yīng)用于工業(yè)和電力系統(tǒng)，近二十年來(lái)，隨著4C產(chǎn)業(yè)(通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、汽車(chē))的蓬勃發(fā)展，功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用范圍有了大幅度的擴(kuò)展，已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)與國(guó)防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，其技術(shù)已成為航空、航天、火車(chē)、汽車(chē)、通訊、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類電子、工業(yè)自動(dòng)化和其他科學(xué)與工業(yè)部門(mén)的至關(guān)重要的基礎(chǔ)。

    過(guò)去，通常把大規(guī)模集成電路和功率半導(dǎo)體器件的關(guān)系比喻為大腦和四肢，因?yàn)榇笠?guī)模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(dòng)相關(guān)電機(jī)進(jìn)行所需的工作。上世紀(jì)80年代以后，隨著新型功率半導(dǎo)體器件如VDMOS、IGBT及功率集成電路的興起，功率半導(dǎo)體器件步入一個(gè)新的領(lǐng)域，除了驅(qū)動(dòng)電機(jī)之外，其為信息系統(tǒng)提供電源的功能也越來(lái)越引人注目。因此，功率半導(dǎo)體器件在系統(tǒng)中的地位已不僅限于“四肢”，而是為整個(gè)系統(tǒng)“供血”的“心臟”。

    概括而言，功率半導(dǎo)體器件的技術(shù)領(lǐng)域主要分為兩大門(mén)類，即以發(fā)電、變電、輸電為代表的電力領(lǐng)域和以電源管理應(yīng)用為代表的電子領(lǐng)域。隨著技術(shù)的進(jìn)步，這兩大領(lǐng)域的功率半導(dǎo)體器件正沿著不同的路徑發(fā)展。在電力領(lǐng)域，功率半導(dǎo)體器件以超大功率晶閘管、IGCT技術(shù)為代表，繼續(xù)向高電壓、大電流的方向發(fā)展；而在電子領(lǐng)域，電源管理器件則傾向于集成化、智能化以及更高的頻率和精度。北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院亢寶位教授表示：“功率半導(dǎo)體器件的這兩大技術(shù)領(lǐng)域由于用途各異，不存在誰(shuí)替代誰(shuí)的問(wèn)題，兩個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展是并行不悖的�！辈贿^(guò)，亢寶位同時(shí)也指出，由于歷史的原因，按照很早以前的管理體制，電力領(lǐng)域歸原機(jī)械部系統(tǒng)管理，而電子領(lǐng)域歸原電子工業(yè)部門(mén)管理，原有掛靠在兩個(gè)管理系統(tǒng)的企業(yè)、學(xué)會(huì)、協(xié)會(huì)等社會(huì)網(wǎng)絡(luò)需要加強(qiáng)合作、加速融合，以促進(jìn)我國(guó)的功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

    促進(jìn)節(jié)能及產(chǎn)業(yè)升級(jí)

    使用功率半導(dǎo)體器件的最根本的目的，一是為了將電壓、電流、頻率轉(zhuǎn)換到負(fù)載所需要的數(shù)值，二是為了更有效地利用電能。

    功率半導(dǎo)體器件的廣泛應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的傳輸轉(zhuǎn)換及最佳控制，大幅度提高工業(yè)生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品性能，大幅度節(jié)約電能、降低原材料消耗，因此，它已經(jīng)愈加明顯地成為加速實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源、通信、交通等量大面廣基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造和技術(shù)進(jìn)步的支柱。例如在綠色照明工程中，在節(jié)能燈中使用VDMOS產(chǎn)品將提高節(jié)能燈的性能及壽命，徹底糾正節(jié)能燈在人們頭腦中留下的壽命短、節(jié)電不省錢(qián)的印象，使節(jié)能燈應(yīng)用到千家萬(wàn)戶。IGBT的出現(xiàn)及在空調(diào)、UPS電源等中的廣泛應(yīng)用，使效率得到大幅提高，同時(shí)體積也大幅縮小。如逆變焊機(jī)原來(lái)要兩個(gè)人才能拿動(dòng)，采用了IGBT器件之后，體積只有書(shū)包大小，重量?jī)H為幾公斤，同時(shí)其性能、效率及可靠性等也得到質(zhì)的改進(jìn)。

    功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用對(duì)于節(jié)約能源具有深遠(yuǎn)影響。在人類所消耗的電能中有75%需經(jīng)功率半導(dǎo)體器件轉(zhuǎn)換成一定的形式后才可供最終設(shè)備使用。新型功率半導(dǎo)體器件能較大地提高轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到節(jié)能的目的。如電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速可節(jié)電20%以上。各種風(fēng)機(jī)、水泵電機(jī)的總耗電量約占全國(guó)發(fā)電量的36%，如采用變頻調(diào)速技術(shù)，每年可節(jié)電659億度，相當(dāng)于三個(gè)葛洲壩電站的發(fā)電量。亢寶位告訴本報(bào)記者，如果全國(guó)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)都采用功率半導(dǎo)體進(jìn)行變頻調(diào)速，則全國(guó)總用電需求量將降低15%到20%。

    本土企業(yè)有機(jī)會(huì)

    按器件結(jié)構(gòu)劃分，功率半導(dǎo)體器件可分為功率集成電路和功率分立器件。功率集成電路雖然使用歷史較短，但其發(fā)展勢(shì)頭遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)功率分立器件。

    功率集成電路最典型的產(chǎn)品是電源管理電路，電源管理電路品種繁多，大致可分為電壓調(diào)制器和其他接口電路。由于電源管理芯片市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度快于功率分立器件市場(chǎng)，這就導(dǎo)致電源管理芯片市場(chǎng)在功率器件市場(chǎng)中所占比重將逐步提升。據(jù)賽迪顧問(wèn)預(yù)測(cè)，到2011年，電源管理芯片銷售額將達(dá)到775.6億元，占整體功率器件市場(chǎng)的46.2%。

    與微處理器、存儲(chǔ)器等數(shù)字集成電路相比，功率集成電路也具有其獨(dú)特之處。功率集成電路的技術(shù)發(fā)展路線不遵從“摩爾定律”，它們的產(chǎn)品壽命周期可達(dá)到幾年甚至十多年，而數(shù)字集成電路產(chǎn)品的壽命周期通常不超過(guò)一年。功率集成電路的制造過(guò)程并不要求最先進(jìn)的生產(chǎn)工藝。成都國(guó)騰微電子有限公司研發(fā)部主任楊洪強(qiáng)指出，目前功率集成電路的光刻精度通常為0.5微米到0.35微米，某些高端產(chǎn)品可能會(huì)達(dá)到0.18微米。相比之下，90納米工藝目前已經(jīng)逐漸成為數(shù)字集成電路產(chǎn)品的主流。因此，功率集成電路的制造成本通常低于數(shù)字集成電路。

    在國(guó)內(nèi)功率集成電路的高端市場(chǎng)，國(guó)際知名企業(yè)如TI(德州儀器)、ST(意法半導(dǎo)體)、安森美等公司仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位，但中國(guó)本土企業(yè)并非沒(méi)有機(jī)會(huì)。據(jù)楊洪強(qiáng)先生透露，目前已經(jīng)有很多的中國(guó)設(shè)計(jì)企業(yè)進(jìn)入電源管理電路領(lǐng)域，占據(jù)了大部分的中低端市場(chǎng)。得益于功率集成電路較低的生產(chǎn)工藝要求，國(guó)內(nèi)的Foundry廠家都可以為這些設(shè)計(jì)企業(yè)提供委托加工服務(wù)，再加上測(cè)試過(guò)程中多項(xiàng)目晶圓(MPW)技術(shù)的普遍使用，這些都有效地降低了國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)公司進(jìn)入該領(lǐng)域的門(mén)檻。