新一代功率半導體掌握多個領(lǐng)域節(jié)能關(guān)鍵

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

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

　　三菱電機半導體器件第一事業(yè)部營業(yè)戰(zhàn)略課長山田正典說“用人體打比方的話，個人店的CPU(中央運算處理裝置)和存儲器是控制運算和記憶的大腦，而功率半導體則相當于肌肉。”

　　因新興市場國家電力需求增加而受到關(guān)注

　　功率半導體市場將穩(wěn)定發(fā)展。全球市場規(guī)模預計在2017年，將從2012年的114億美元擴大到141億美元。其中，新興市場國家的電力需求增加尤為明顯。

　　以新興市場國家為中心，中產(chǎn)階級正在增加，耗電量越來越大。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。有數(shù)據(jù)顯示，工業(yè)機械和家電等的馬達所使用的電力占到了全球耗電量的55%，歐洲和中國已經(jīng)公布了關(guān)于馬達效率的節(jié)能標準。

　　通過使用精密控制馬達轉(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體。

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

　　傳統(tǒng)半導體的主要材料是硅。而如今作為新一代功率半導體材料，碳化硅(SIC)和氮化鎵(GaN)備受期待。如果日本國內(nèi)的功率半導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kL。節(jié)約的電能相當于7——8座核電站的發(fā)電量。

　　技術(shù)與經(jīng)驗的結(jié)晶

　　從功率半導體的全球份額來看，三菱電機、東芝、瑞薩電子、富士電機等日本企業(yè)名列前茅。功率半導體領(lǐng)域比的是技術(shù)積累，要涉足該領(lǐng)域絕非易事。在以MCU和存儲器等為代表的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。而功率半導體則是在背面設(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，功率半導體的用途也成為了一道難關(guān)。IC主要應(yīng)用于個人電腦、電視等消費類產(chǎn)品，容易實現(xiàn)同質(zhì)化(通用品)、低價格化。而功率半導體大多用于公益，需要按照用途和客戶的要求精雕細琢。因此不容易卷入價格競爭。

　　功率半導體保護整流二極管、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)動馬達。切換電路開與關(guān)的開關(guān)速度越快，越能實現(xiàn)精密控制。

　　功率晶體管還可以進一步分成三個種類。

　　首先，雙晶體管是由3個端子組成的半導體，利用輸入電流控制擴大和開關(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。

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

　　最后是IGBT(絕緣柵雙極晶體管)，在一個半導體元件(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。而且可以實現(xiàn)高速開關(guān)。

　　通過大型化降低成本

　　用來提高功率半導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。

　　三菱電機從1990年代開始研發(fā)SiC功率半導體。2010年，該公司使用SiC功率半導體，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。與過去相比，車輛系統(tǒng)節(jié)能高達38.6%。

　　現(xiàn)在，阻礙普及的因素在于成本。碳化硅結(jié)晶需要的時間長，價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見方。面積是過去的5mm見方的4倍。通過大型化，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年收購了德國的碳化硅晶圓企業(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)量是過去的兩倍，提高了生產(chǎn)效率。該公司把功率半導體視為增長的動力之一。碳化硅則是功率半導體的核心。

　　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。可以支持高頻率，因此能夠使周邊部件小型化。但缺點是不支持大電流、大電壓，只適用于家電等輸出功率較低的電器。

　　功率半導體市場雖然前景光明，但估計今后競爭將激化。2013年富士通與富士通半導體發(fā)布新聞稱，該公司與美國Transphorm公司整合了氮化鎵功率半導體業(yè)務(wù)，社會為之沸然。富士通的研發(fā)團隊和知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)移到Transphorm，富士通半導體則轉(zhuǎn)變體制，專門承接制造和銷售業(yè)務(wù)。這在實質(zhì)上是業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)讓。

　　富士通半導體功率器件業(yè)務(wù)部長淺井祥守說“我們覺得，大批的量產(chǎn)訂單將到來，現(xiàn)在正是做出決斷的時機。”

　　富士經(jīng)濟表示，到2020年，新一代功率半導體的全球市場將擴大到1909億日元，約為2012年的25倍。2014年到2015年預計將是全面普及的時期，企業(yè)之間的合縱連橫作戰(zhàn)如今已經(jīng)打響。