功率半導體應用提速 電源管理芯片一馬當先

　　科學技術(shù)的飛速發(fā)展，使半導體技術(shù)形成兩大分支：一個是以大規(guī)模集成電路為核心的微電子技術(shù)，實現(xiàn)對信息的處理、存儲與轉(zhuǎn)換;另一個則是以功率半導體器件為主，實現(xiàn)對電能的處理與變換。功率半導體器件與大規(guī)模集成電路一樣具有重要價值，在國民經(jīng)濟和社會生活中具有不可替代的關(guān)鍵作用。

　　電力、電子兩大領(lǐng)域并行發(fā)展

　　功率半導體器件在其發(fā)展的初期(上世紀60年代-80年代)主要應用于工業(yè)和電力系統(tǒng)，近二十年來，隨著4C產(chǎn)業(yè)(通信、計算機、消費電子、汽車)的蓬勃發(fā)展，功率半導體器件的應用范圍有了大幅度的擴展，已滲透到國民經(jīng)濟與國防建設(shè)的各個領(lǐng)域，其技術(shù)已成為航空、航天、火車、汽車、通訊、計算機、消費類電子、工業(yè)自動化和其他科學與工業(yè)部門的至關(guān)重要的基礎(chǔ)。

　　過去，通常把大規(guī)模集成電路和功率半導體器件的關(guān)系比喻為大腦和四肢，因為大規(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)動相關(guān)電機進行所需的工作。上世紀80年代以后，隨著新型功率半導體器件如VDMOS、IGBT及功率集成電路的興起，功率半導體器件步入一個新的領(lǐng)域，除了驅(qū)動電機之外，其為信息系統(tǒng)提供電源的功能也越來越引人注目。因此，功率半導體器件在系統(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”。

　　概括而言，功率半導體器件的技術(shù)領(lǐng)域主要分為兩大門類，即以發(fā)電、變電、輸電為代表的電力領(lǐng)域和以電源管理應用為代表的電子領(lǐng)域。隨著技術(shù)的進步，這兩大領(lǐng)域的功率半導體器件正沿著不同的路徑發(fā)展。在電力領(lǐng)域，功率半導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)大學電子信息與控制工程學院亢寶位教授在接受記者采訪時表示：“功率半導體器件的這兩大技術(shù)領(lǐng)域由于用途各異，不存在誰替代誰的問題，兩個領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展是并行不悖的。”不過，亢寶位同時也指出，由于歷史的原因，按照很早以前的管理體制，電力領(lǐng)域歸原機械部系統(tǒng)管理，而電子領(lǐng)域歸原電子工業(yè)部門管理，原有掛靠在兩個管理系統(tǒng)的企業(yè)、學會、協(xié)會等社會網(wǎng)絡(luò)需要加強合作、加速融合，以促進我國的功率半導體產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

　　促進節(jié)能及產(chǎn)業(yè)升級

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

　　功率半導體器件的廣泛應用可以實現(xiàn)對電能的傳輸轉(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現(xiàn)我國能源、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)電不省錢的印象，使節(jié)能燈應用到千家萬戶。IGBT的出現(xiàn)及在空調(diào)、UPS電源等中的廣泛應用，使效率得到大幅提高，同時體積也大幅縮小。如逆變焊機原來要兩個人才能拿動，采用了IGBT器件之后，體積只有書包大小，重量僅為幾公斤，同時其性能、效率及可靠性等也得到質(zhì)的改進。

　　功率半導體器件的應用對于節(jié)約能源具有深遠影響。在人類所消耗的電能中有75%需經(jīng)功率半導體器件轉(zhuǎn)換成一定的形式后才可供最終設(shè)備使用。新型功率半導體器件能較大地提高轉(zhuǎn)換效率，達到節(jié)能的目的。如電動機采用變頻調(diào)速可節(jié)電20%以上。各種風機、水泵電機的總耗電量約占全國發(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，相當于三個葛洲壩電站的發(fā)電量。亢寶位告訴記者，如果全國電機的驅(qū)動都采用功率半導體進行變頻調(diào)速，則全國總用電需求量將降低15%到20%。

　　本土企業(yè)有機會

　　按器件結(jié)構(gòu)劃分，功率半導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)展勢頭遠遠超過功率分立器件。

　　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的增長速度快于功率分立器件市場，這就導致電源管理芯片市場在功率器件市場中所占比重將逐步提升。據(jù)賽迪顧問預測，到2011年，電源管理芯片銷售額將達到775.6億元，占整體功率器件市場的46.2%。

　　與微處理器、存儲器等數(shù)字集成電路相比，功率集成電路也具有其獨特之處。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一年。功率集成電路的制造過程并不要求最先進的生產(chǎn)工藝。成都國騰微電子有限公司研發(fā)部主任楊洪強在接受記者采訪時指出，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)品可能會達到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。

　　在國內(nèi)功率集成電路的高端市場，國際知名企業(yè)如TI(德州儀器)、ST(意法半導體)、安森美等公司仍然占據(jù)著主導地位，但中國本土企業(yè)并非沒有機會。據(jù)楊洪強先生透露，目前已經(jīng)有很多的中國設(shè)計企業(yè)進入電源管理電路領(lǐng)域，占據(jù)了大部分的中低端市場。得益于功率集成電路較低的生產(chǎn)工藝要求，國內(nèi)的Foundry廠家都可以為這些設(shè)計企業(yè)提供委托加工服務，再加上測試過程中多項目晶圓(MPW)技術(shù)的普遍使用，這些都有效地降低了國內(nèi)設(shè)計公司進入該領(lǐng)域的門檻。

　　相關(guān)鏈接

　　功率半導體

　　功率半導體是能耐高壓或者能承受大電流的半導體分立器件和集成電路，其中大部分是既能耐高壓也能承受大電流。在功率電子電路，例如整流電路、變頻調(diào)速電路、開關(guān)電源電路、UPS電路中，功率半導體器件一般都是起開關(guān)的作用。因為用在開、關(guān)兩個狀態(tài)下半導體器件功率損耗小。我國過去習慣把這一類做功率開關(guān)的功率半導體稱作電力電子器件，國際上并無這一稱呼。

　　功率集成電路

　　功率集成電路(PIC)是指將高壓功率器件與信號處理系統(tǒng)及外圍接口電路、保護電路、檢測診斷電路等集成在同一芯片的集成電路。以往，一般將其分為智能功率集成電路(SPIC)和高壓集成電路(HVIC)兩類。但隨著PIC的不斷發(fā)展，兩者在工作電壓和器件結(jié)構(gòu)上(垂直或橫向)都難以嚴格區(qū)分，已習慣于將它們統(tǒng)稱為智能功率集成電路或功率IC。SPIC是機電一體化的關(guān)鍵接口電路，是SoC的核心技術(shù)，它將信息采集、處理與功率控制合一，是引發(fā)第二次電子革命的關(guān)鍵技術(shù)。

　　IGCT

　　IGCT(集成門極換流晶閘管)是一種在GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型大功率半導體開關(guān)器件，它巧妙地結(jié)合了晶閘管通態(tài)特性和晶體管關(guān)斷特性，因而兼有功率容量大、損耗低、效率高、可靠性高、成本低等優(yōu)點，相對IGBT而言，制造工藝比較簡單，在我國能源、交通、石化、冶金等行業(yè)的大功率變流技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。