新一代功率半導(dǎo)體掌握多個(gè)領(lǐng)域節(jié)能關(guān)鍵

最近幾年，在半導(dǎo)體之中，原本在人們眼中“不出彩”的功率半導(dǎo)體成為了關(guān)注的焦點(diǎn)。

功率半導(dǎo)體的作用是轉(zhuǎn)換直流與交流、通過(guò)變壓等方式高效控制電力，用于充電裝置和馬達(dá)。如今，這種半導(dǎo)體已配備于家電、汽車、工業(yè)機(jī)械、鐵路車輛、輸配電裝置、光伏和風(fēng)電系統(tǒng)等，掌握著節(jié)能的關(guān)鍵。

三菱電機(jī)半導(dǎo)體器件第一事業(yè)部營(yíng)業(yè)戰(zhàn)略課長(zhǎng)山田正典說(shuō)“用人體打比方的話，個(gè)人店的CPU(中央運(yùn)算處理裝置)和存儲(chǔ)器是控制運(yùn)算和記憶的大腦，而功率半導(dǎo)體則相當(dāng)于肌肉?！?BR>
因新興市場(chǎng)國(guó)家電力需求增加而受到關(guān)注

技術(shù)信息供應(yīng)商美國(guó)IHSGlobal預(yù)測(cè)稱，功率半導(dǎo)體市場(chǎng)將穩(wěn)定發(fā)展。全球市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)在2017年，將從2012年的114億美元擴(kuò)大到141億美元。其中，新興市場(chǎng)國(guó)家的電力需求增加尤為明顯。

美國(guó)IHSGlobal日本事務(wù)所代表南川明說(shuō)“以新興市場(chǎng)國(guó)家為中心，中產(chǎn)階級(jí)正在增加，耗電量越來(lái)越大。在2020年，很有可能出現(xiàn)電力供求緊張，發(fā)生全球性電力危機(jī)?！?BR>
有數(shù)據(jù)顯示，工業(yè)機(jī)械和家電等的馬達(dá)所使用的電力占到了全球耗電量的55%，歐洲和中國(guó)已經(jīng)公布了關(guān)于馬達(dá)效率的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)使用精密控制馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)的逆變器，可以使耗電量減少了4成左右。日本的工業(yè)用和家用空調(diào)基本全部配備了逆變器，但從世界范圍來(lái)看，普及率只有區(qū)區(qū)2成。而逆變器的核心部件就是功率半導(dǎo)體。

功率半導(dǎo)體之所以受到關(guān)注，原因并不只是全球電力需求的增加，還有一個(gè)重要因素是最近3年——4年來(lái)，新材料接連投入了實(shí)用。

傳統(tǒng)半導(dǎo)體的主要材料是硅。而如今作為新一代功率半導(dǎo)體材料，碳化硅(SIC)和氮化鎵(GaN)備受期待。如果日本國(guó)內(nèi)的功率半導(dǎo)體全部從硅換成碳化硅，按照原油換算，到2020年可節(jié)約能源724萬(wàn)kL。節(jié)約的電能相當(dāng)于7——8座核電站的發(fā)電量。

技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶

從功率半導(dǎo)體的全球份額來(lái)看，三菱電機(jī)、東芝、瑞薩電子、富士電機(jī)等日本企業(yè)名列前茅。美國(guó)OHSGlobal日本事務(wù)所代表南川說(shuō)“功率半導(dǎo)體領(lǐng)域比的是技術(shù)積累，要涉足該領(lǐng)域絕非易事。日本企業(yè)榮譽(yù)發(fā)揮出優(yōu)勢(shì)?！?BR>
在以MCU和存儲(chǔ)器等為代表的IC(集成電路)中，微小的電流沿水平方向在晶圓表面高速流動(dòng)。而功率半導(dǎo)體則是在背面設(shè)置電極，沿垂直方向通入大電流。這需要高超的背面加工技術(shù)，因而抬高了涉足的門檻。

而且，功率半導(dǎo)體的用途也成為了一道難關(guān)。IC主要應(yīng)用于個(gè)人電腦、電視等消費(fèi)類產(chǎn)品，容易實(shí)現(xiàn)同質(zhì)化(通用品)、低價(jià)格化。而功率半導(dǎo)體大多用于公益，需要按照用途和客戶的要求精雕細(xì)琢。因此不容易卷入價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)。

功率半導(dǎo)體保護(hù)整流二極管、功率晶體管、晶閘管。

其中，功率晶體管具有“放大”和“開關(guān)”的作用。放大是指低頻功率變?yōu)楦哳l功率，開關(guān)是指切換電路的開與關(guān)。

充分利用放大作用，就可以使用小功率驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。切換電路開與關(guān)的開關(guān)速度越快，越能實(shí)現(xiàn)精密控制。

功率晶體管還可以進(jìn)一步分成三個(gè)種類。

首先，雙晶體管是由3個(gè)端子組成的半導(dǎo)體，利用輸入電流控制擴(kuò)大和開關(guān)。雖然放大率高，適合處理較大電流，但也存在開關(guān)速度慢的缺點(diǎn)。

其次，功率MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)是利用輸入電壓控制動(dòng)作。耗電量較小，能夠?qū)崿F(xiàn)高速開關(guān)。但處理大電流時(shí)損耗大。

最后是IGBT(絕緣柵雙極晶體管)，在一個(gè)半導(dǎo)體元件(芯片)上集成雙極晶體管和MOSFET而構(gòu)成。不僅耗電量小，能夠處理大電流。而且可以實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)。

通過(guò)大型化降低成本

用來(lái)提高功率半導(dǎo)體能源利用效率的是使用新材料的新一代產(chǎn)品。其中有望成為主流的是使用碳化硅的產(chǎn)品。與硅相比，碳化硅能夠耐受大電壓、大電流，大幅削減工作時(shí)以熱量形式散發(fā)的功率損耗。與硅制產(chǎn)品相比，理論上可減少70%的功率損耗。

三菱電機(jī)從1990年代開始研發(fā)SiC功率半導(dǎo)體。2010年，該公司使用SiC功率半導(dǎo)體，在全球率先上市了變頻空調(diào)。2012年，東京地鐵銀座線的部分車輛也采用了該公司的產(chǎn)品。與過(guò)去相比，車輛系統(tǒng)節(jié)能高達(dá)38.6%。

現(xiàn)在，阻礙普及的因素在于成本。碳化硅結(jié)晶需要的時(shí)間長(zhǎng)，價(jià)格是硅的幾倍甚至十幾倍。而且晶圓不易大型化。

2013年10月，三菱電機(jī)開發(fā)出了世界上最大的使用碳化硅的功率MOSFET，尺寸為1cm見(jiàn)方。面積是過(guò)去的5mm見(jiàn)方的4倍。通過(guò)大型化，配備芯片的數(shù)量減少，從而可以降低成本。

作為功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的后起之秀，羅姆也在1990年代著手開發(fā)碳化硅的產(chǎn)品，并以2009年收購(gòu)了德國(guó)的碳化硅晶圓企業(yè)SiCystal，由此，建立起了從碳化硅晶圓到模塊的一條龍開發(fā)、制造體制。

2013年。羅姆開始使用碳化硅量產(chǎn)大口徑的6英寸晶圓。1枚晶圓可以切割的芯片數(shù)量是過(guò)去的兩倍，提高了生產(chǎn)效率。該公司把功率半導(dǎo)體視為增長(zhǎng)的動(dòng)力之一。碳化硅則是功率半導(dǎo)體的核心。

與碳化硅同樣被看好的還有氮化鎵。氮化鎵具備的有點(diǎn)可舉：比硅更耐受高電壓，可以縮短電極之間的距離;發(fā)熱少，耗電量小;開關(guān)速度高壓碳化硅?？梢灾С指哳l率，因此能夠使周邊部件小型化。但缺點(diǎn)是不支持大電流、大電壓，只適用于家電等輸出功率較低的電器。

功率半導(dǎo)體市場(chǎng)雖然前景光明，但估計(jì)今后競(jìng)爭(zhēng)將激化。2013年富士通與富士通半導(dǎo)體發(fā)布新聞稱，該公司與美國(guó)Transphorm公司整合了氮化鎵功率半導(dǎo)體業(yè)務(wù)，社會(huì)為之沸然。富士通的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)移到Transphorm，富士通半導(dǎo)體則轉(zhuǎn)變體制，專門承接制造和銷售業(yè)務(wù)。這在實(shí)質(zhì)上是業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)讓。

富士通半導(dǎo)體功率器件業(yè)務(wù)部長(zhǎng)淺井祥守說(shuō)“我們覺(jué)得，大批的量產(chǎn)訂單將到來(lái)，現(xiàn)在正是做出決斷的時(shí)機(jī)。”

富士經(jīng)濟(jì)表示，到2020年，新一代功率半導(dǎo)體的全球市場(chǎng)將擴(kuò)大到1909億日元，約為2012年的25倍。2014年到2015年預(yù)計(jì)將是全面普及的時(shí)期，企業(yè)之間的合縱連橫作戰(zhàn)如今已經(jīng)打響