制造能耗變革從新一代半導(dǎo)體開始

　　接近62%的能源被白白浪費(fèi)

　　美國(guó)制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)(目前稱為MgfUSA)已經(jīng)闡明了美國(guó)制造業(yè)規(guī)劃的聚焦點(diǎn)在材料與能源。清潔能源智能制造CESMII中的清潔能源與能源互聯(lián)網(wǎng)自不必說，而在復(fù)合材料IACMI和輕量化研究院LIFT中都關(guān)注到了汽車減重設(shè)計(jì)，本身也是為了降低能源消耗的問題。在美國(guó)第二個(gè)創(chuàng)新研究院“美國(guó)電力創(chuàng)新研究院” Power Amercia(PA)其關(guān)注點(diǎn)同樣在于能源的問題。這是一個(gè)關(guān)于巨大的能源市場(chǎng)的創(chuàng)新中心。

　　圖1：整體的能源轉(zhuǎn)換效率約在38.4%來源：勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的能源評(píng)估

　　圖1是美國(guó)能源部下屬的勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)2013年美國(guó)的能源使用情況的評(píng)估，可以從圖中看到，包括核能、火電、光伏、風(fēng)力發(fā)電等各種能源方式在使用過程中都會(huì)有損耗，真正被用到的能源最終只能達(dá)到38.4%的平均值，這意味著大量的能源在轉(zhuǎn)換過程中(如生物能、化學(xué)能、機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能、電力的轉(zhuǎn)換AC-DC-AC)有著大量的損耗，不斷提升能源效率是人類不斷的追求。

　　寬帶隙半導(dǎo)體登場(chǎng)

　　2015年1月，Power America成立，并獲得總計(jì)1.4億美元的5年期基金，這一計(jì)劃將在5年內(nèi)讓美國(guó)的Power Electronics功率電子領(lǐng)域獲得進(jìn)步，并推進(jìn)商業(yè)化進(jìn)程。這是由北卡羅萊納州立大學(xué)和國(guó)防部(DoD)聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)并成立，瞄準(zhǔn)更具成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)(WBG-Wide Band Gap)。這是一項(xiàng)基于SiC和GaN的功率電子(PE)，加速SiC和GaN的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。PA工作在于通過社區(qū)協(xié)同來實(shí)現(xiàn)良好規(guī)劃但柔性的策略來加速開發(fā)工藝及設(shè)備。

　　表1可以看到，常用的硅基功率電子其帶隙值僅為1.12，而包括6H SiC和4H SiC以及GaN都具有大于3.0eV的帶寬，這些都屬于寬帶隙功率電子，相對(duì)于常用的硅基PE而言，WBG有更高的溫度適用范圍、非凡的抗電壓擊穿能力、載流子飄逸速度，這些都大幅度提升了功率電子器件在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中的性能如功率密度、轉(zhuǎn)換效率，也成為了包括美國(guó)、德國(guó)、日本產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注熱點(diǎn)技術(shù)。

　　表1：寬帶隙功率電子的帶隙指標(biāo)

　　(帶隙的單位是電子伏特，數(shù)值越大意味著轉(zhuǎn)換效率越高)

　　相較于硅基功率器件，SiC和GaN具有帶隙方面的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然鉆石也有更為卓越的特性，但是，成本會(huì)太高，因此，也不作為發(fā)展的重點(diǎn)考慮。由于寬帶隙WBG具有很大的應(yīng)用前景和廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，包括軍用電子、電動(dòng)汽車、新能源、消費(fèi)電子領(lǐng)域，這些都是未來具有巨大市場(chǎng)潛力的領(lǐng)域，這也是美國(guó)制造創(chuàng)網(wǎng)絡(luò)將其定義為關(guān)鍵發(fā)展領(lǐng)域的重要原因。并成立了Power America這個(gè)創(chuàng)新中心來引導(dǎo)該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　能源消耗無處不在，即使是“1%”的效率提升都意味著巨大的成本節(jié)省，在制造業(yè)70%的能源消耗來自于傳動(dòng)設(shè)備，而如果這些AC-DC-AC的轉(zhuǎn)換過程中如果可以提高效率，也同樣對(duì)于制造業(yè)而言是巨大的成本節(jié)省。據(jù)了解類似于富士康這樣擁有百萬級(jí)員工的超大型制造企業(yè)每年的電費(fèi)達(dá)到60億人民幣以上，僅1%的節(jié)省就達(dá)到6000萬人民幣。

　　表2：WBG功率器件的提升空間(相對(duì)于Si)

　　表2顯示了WBG功率器件相對(duì)于目前市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位的硅基材料相比所能帶來的提升空間，可以看到其在轉(zhuǎn)換過程中給出了綜合的提升空間，這個(gè)僅從轉(zhuǎn)換效率提升空間進(jìn)行對(duì)比，而WBG體積更小、工作溫度范圍更大、重量更輕都會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來很多綜合好處，例如：同樣功率輸出的體積、重量降低也會(huì)讓汽車更為節(jié)能、在軍用戰(zhàn)斗機(jī)上，占用空間小，也可以讓其它的設(shè)備變得更易于部署。

　　圖2：WBG功率電子具有的優(yōu)勢(shì)

　　圖2可以看到WBG的SiC和GaN相較于硅基功率器件的優(yōu)勢(shì)，高開關(guān)頻率會(huì)讓能源損耗較低，而溫度范圍的適應(yīng)力則會(huì)帶來體積的縮小、寬帶隙與電場(chǎng)帶來更高的電壓運(yùn)行能力。

　　當(dāng)然技術(shù)細(xì)節(jié)并不是本文要關(guān)注的，而巨大的節(jié)能潛力才是關(guān)鍵。如果我們能夠節(jié)省空間大于10%的話，對(duì)于能源而言，這就會(huì)是一個(gè)巨大的投入，想象一下，中國(guó)未來希冀通過電動(dòng)汽車來“彎道超車”，跨越歐美在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的極高的門檻，那么WBG就應(yīng)該是我們必須大力突破并投入應(yīng)用的，制造業(yè)作為中國(guó)的重點(diǎn)戰(zhàn)略發(fā)展，而由于70%的制造能耗在電機(jī)傳動(dòng)，顯然WBG的開發(fā)就對(duì)“中國(guó)制造”變得非常關(guān)鍵。

　　聚焦藍(lán)海市場(chǎng)

　　與之前對(duì)制造創(chuàng)新研究院的分析一樣，美國(guó)電力PA聚焦于具有廣闊應(yīng)用前景的大市場(chǎng)，關(guān)注的是具有藍(lán)海特性的市場(chǎng)。既不能太過于在基礎(chǔ)研究院，也不必要在已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)進(jìn)入完全競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)。

　　對(duì)于寬帶隙WBG而言，其可適應(yīng)的市場(chǎng)同樣較為廣泛，包括幾個(gè)大的方向，包括儲(chǔ)能設(shè)備、電動(dòng)汽車、電機(jī)傳動(dòng)幾個(gè)大的方向，當(dāng)然也包括射頻天線等應(yīng)用市場(chǎng)。

　　圖3：SiC和GaN的應(yīng)用市場(chǎng)預(yù)期

　　圖3列舉了包括汽車電子、混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車傳動(dòng)、UPS電源、新能源如光伏/風(fēng)電的逆變、高鐵機(jī)車、消費(fèi)電子、工業(yè)傳動(dòng)市場(chǎng)等重要的功率器件應(yīng)用市場(chǎng)。

　　圖4：SiC目前的市場(chǎng)進(jìn)展

　　圖4是來自注明的Yole開發(fā)公司關(guān)于WBG市場(chǎng)的研究報(bào)告，SiC在市場(chǎng)的推進(jìn)時(shí)間，改圖顯示了WBG目前的市場(chǎng)狀態(tài)，SiC和GaN技術(shù)的確是比較新興的技術(shù)，SiC較早而GaN則是最近幾年才開始進(jìn)入市場(chǎng)。用于電網(wǎng)的功率因素校正是比較早，接著在光伏逆變領(lǐng)域、鐵路的變流器、UPS這些領(lǐng)域，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域目前還在研發(fā)階段，包括歐洲的汽車制造商也尚未將SiC和GaN技術(shù)投入應(yīng)用。

　　圖5：IHS對(duì)WBG市場(chǎng)的整體預(yù)測(cè)來源：IHS 2015年報(bào)告

　　圖5是來自于國(guó)際知名咨詢機(jī)構(gòu)IHS對(duì)WBG的未來市場(chǎng)預(yù)測(cè)，可以看到總體會(huì)在2025年達(dá)到36億美元的市場(chǎng)規(guī)模，從趨勢(shì)上看在2014-2025年這個(gè)十年的時(shí)間里，WBG將會(huì)有較大的市場(chǎng)成長(zhǎng)空間。

　　圖6：SiC市場(chǎng)的主要制造商

　　由圖6可以看到英飛凌、科凌CREE(功率電子部分已經(jīng)賣給英飛凌)是最為主要的SiC市場(chǎng)器件提供商在大功率領(lǐng)域具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，而在SiC應(yīng)用領(lǐng)域里包括了三菱、東芝、日立、松下等日本廠商。

　　美國(guó)創(chuàng)新院PA的工作

　　了解到WBG技術(shù)、WBG的市場(chǎng)應(yīng)用方向后，就可以明白PA因何聚焦在WBG功率電子技術(shù)，因?yàn)檫@符合美國(guó)制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)的主旨思想，“要去開發(fā)未來廣闊的商業(yè)化市場(chǎng)，并通過生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)讓美國(guó)在該產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域具有全球領(lǐng)先的競(jìng)爭(zhēng)力”。

　　在PA的目標(biāo)設(shè)定中，分為3年、5年和10年計(jì)劃，將WBG逐漸產(chǎn)業(yè)化，從低壓、中壓到高壓設(shè)備，并通過創(chuàng)新中心的努力最終達(dá)到50%的成本降低。如圖8所示，PA定義了未來達(dá)到在大于10kV的設(shè)備上采用WBG。

　　圖7：PA創(chuàng)新中心的目標(biāo)設(shè)定

　　而圖8是PA實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的路線圖，因?yàn)槟壳癢BG的成本還是比較高的，相對(duì)于硅基的功率電子器件仍然有大約5倍的成本，并且WBG功率器件的穩(wěn)定性尚待提高，包括與之匹配的測(cè)試、驗(yàn)證系統(tǒng)都還不成熟，因此，WBG的路線圖通過生態(tài)系統(tǒng)的合作，使得新技術(shù)可以為用戶所接受，并通過采用WBG研發(fā)產(chǎn)品進(jìn)而推進(jìn)其技術(shù)的進(jìn)步與規(guī)模效應(yīng)帶來的成本下降。

　　圖8：PA的技術(shù)路線圖

　　如同很多其他的創(chuàng)新研究院一樣，PA的技術(shù)路線圖也是通過一家咨詢公司，提供前期的技術(shù)文獻(xiàn)整理、專家訪談，并制定了四個(gè)主要推動(dòng)力和路線圖。

　　圖8：PA優(yōu)化產(chǎn)業(yè)鏈的規(guī)劃

　　針對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈的過程，各個(gè)階段也由PA定義了各自的分工協(xié)作內(nèi)容，如圖9所示。

　　在其成員中，出乎意料的是，美國(guó)頭號(hào)軍火商洛克希德.馬丁是其最重要的會(huì)員，每年繳納年費(fèi)50萬美元，成為全面支持會(huì)員。這充分反應(yīng)了美國(guó)軍火制造商對(duì)寬帶隙電子的重視。其他成員WolfSpeed(最早是美國(guó)科瑞公司的功率電子事業(yè)部，去年已經(jīng)賣給德國(guó)英飛凌)、美國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械常青樹約翰迪爾、雷神、ABB等公司。

　　希望中國(guó)的功率電子器件廠商也可以通過產(chǎn)業(yè)合作可以能夠在全球的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占有一個(gè)重要的角色，中國(guó)產(chǎn)業(yè)最大的好處在于有巨大的市場(chǎng)給我們進(jìn)行測(cè)試，這種優(yōu)良條件是非常明顯的，工業(yè)技術(shù)最大的困難往往在于如何讓產(chǎn)品經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用考驗(yàn)不斷發(fā)現(xiàn)問題，并不斷進(jìn)行質(zhì)量的迭代，包括在應(yīng)用技術(shù)的提升，一方面，從產(chǎn)業(yè)發(fā)展而言，國(guó)家需要?jiǎng)?chuàng)造條件給予企業(yè)測(cè)試的機(jī)會(huì)，產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的作用就是由其中比較優(yōu)勢(shì)的終端企業(yè)來提供產(chǎn)業(yè)里創(chuàng)新型企業(yè)的應(yīng)用機(jī)會(huì)。產(chǎn)業(yè)協(xié)同效應(yīng)即通過這種企業(yè)互聯(lián)，形成知識(shí)共享、測(cè)試條件分享、商業(yè)機(jī)會(huì)互通的條件，創(chuàng)新就必須敢于試錯(cuò)，給予試錯(cuò)企業(yè)機(jī)會(huì)。

　　勞動(dòng)力不要丟

　　美國(guó)制造創(chuàng)新研究院的教育和勞動(dòng)力發(fā)展(EWD)部門，重點(diǎn)領(lǐng)域的使命是協(xié)助學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的教育工作者和培訓(xùn)人員為學(xué)生和專業(yè)人士建立職業(yè)道路，進(jìn)入下一代電力電子工業(yè)，采用寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)。 PowerAmerica社區(qū)有一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)，激發(fā)年輕人從學(xué)前到大學(xué)階段，了解這項(xiàng)技術(shù)對(duì)個(gè)人，社會(huì)和環(huán)境層面的有意義的影響，以及年輕人在促進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)方面的關(guān)鍵作用。教學(xué)實(shí)驗(yàn)室和相關(guān)實(shí)驗(yàn)，專注于應(yīng)用的選擇和包括將信息牢固地融入知識(shí)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目：例如短期課程 - 長(zhǎng)達(dá)1/2天到3天，是WBG主題目標(biāo)模塊。

　　而在美國(guó)電力創(chuàng)新院PA的項(xiàng)目征集書中，教育與勞動(dòng)力方向，也是有眾多的項(xiàng)目供學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的人員申請(qǐng)。例如其中一個(gè)基于GaN和SiC的設(shè)備設(shè)計(jì)與工藝文檔，就提供了5萬美元的資助，鼓勵(lì)團(tuán)隊(duì)申請(qǐng)。

　　EWD特別感興趣的是由多學(xué)科和跨機(jī)構(gòu)合作創(chuàng)建的項(xiàng)目，并且高度鼓勵(lì)所有提交的作品都使用新的創(chuàng)新形式的教學(xué)設(shè)計(jì)，教學(xué)交付，并強(qiáng)調(diào)多種移動(dòng)平臺(tái)。而在線材料也必須遵守美國(guó)殘疾人法案PA可以協(xié)助這些要求。

　　PA會(huì)將項(xiàng)目所開發(fā)的材料“出版”，不會(huì)收取出版費(fèi)或頁(yè)面費(fèi)用。當(dāng)然，PA要求將版權(quán)轉(zhuǎn)讓給PA，但將允許個(gè)人或機(jī)構(gòu)用于其他目的——只要PA的LOGO在所批準(zhǔn)的位置顯著地顯示即可。此外，教育和勞動(dòng)力材料必須在國(guó)家范圍內(nèi)推出，鼓勵(lì)研究所使用知識(shí)共享(CC)授權(quán)，以確保更快更廣泛地傳播使用聯(lián)邦基金開發(fā)的材料。

　　圖10：EWD-PA在教育方面的推廣

　　教育與勞動(dòng)力開發(fā)是美國(guó)制造創(chuàng)新研究院的三大戰(zhàn)略主線之一，每個(gè)創(chuàng)新研究院都會(huì)積極的與大學(xué)進(jìn)行交流與合作，并且多數(shù)研究院的領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)也是由具有豐富產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)的大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)專家作為協(xié)調(diào)人，對(duì)產(chǎn)業(yè)有整體的把控能力，政府在其中扮演的支持與協(xié)調(diào)角色。教育與勞動(dòng)力開發(fā)必須成為制造業(yè)的并行工程，而且，這種并行不是教育勞動(dòng)部門單獨(dú)運(yùn)行，而是與產(chǎn)業(yè)深入的交叉，形成產(chǎn)業(yè)推動(dòng)教育、教育推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的良性互動(dòng)。

　　創(chuàng)新中心要有所不為

　　近期與一位臺(tái)灣的大學(xué)教授探討關(guān)于中國(guó)制造業(yè)規(guī)劃，感覺“似乎這個(gè)規(guī)劃里將所有他們知道的技術(shù)點(diǎn)都列了進(jìn)去”。可是過于強(qiáng)調(diào)全面性，反而過猶不及。

　　美國(guó)所有的制造創(chuàng)新研究院，都聚焦于產(chǎn)業(yè)化，將軍方、大學(xué)與研究機(jī)構(gòu)沉淀的科研投入轉(zhuǎn)化為商用市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，通過產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的資源協(xié)同來降低產(chǎn)業(yè)成本與推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步、制造技術(shù)的創(chuàng)新，有利于提升整個(gè)社會(huì)的資金效率。技術(shù)成熟度TRL/MRL即是一種有效的評(píng)估方式，美國(guó)制造創(chuàng)新院一般都聚焦在TRL4~7級(jí)，明顯進(jìn)行了取舍，但對(duì)應(yīng)的是具有非常大的前景的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。顯然產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃應(yīng)該有所取舍，從TRL/MRL的角度來評(píng)價(jià)就是“有所為，有所不為”，識(shí)別高技術(shù)領(lǐng)域的哪個(gè)環(huán)節(jié)作為創(chuàng)新中心的突破口，是高端制造的政策規(guī)劃者需要重點(diǎn)關(guān)注的。