半导体

功率半导体:强化设计能力 寻求中高端突破

作者:张波来源:中国电子报发布时间:2009-12-08 13:32我要评论

 


功率半导体是最适合中国发展的半导体产业。但中国功率但导体的发展必须改变目前封装强


于芯片、芯片强于设计的局面,应大力发展设计技术。以设计促进芯片,以芯片壮大产业。


 


功率半导体包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路。近年来,随着功率MOS(金属氧化物半导体)技术的迅速发展,功率半导体的应用范围已从传统的工业控制领域扩展到4C领域(计算机、通信、消费类电子产品和汽车电子),渗透到国民经济与国防建设的各个方面。我国拥有国际上最大的功率半导体市场,拥有迅速发展的半导体代工线及国际上最大规模的人才培养体系,但中国功率半导体产业的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面。功率半导体行业应加强技术力量的引进和消化吸收,大力发展设计技术,以市场带动设计,以设计促进芯片,以芯片壮大产业。


 


   发展功率半导体符合中国国情


 


功率半导体器件是进行电能处理的半导体产品。在可预见的将来,电能将是人类消耗的最重要能源,无论是水电、核电、火电还是风电,甚至各种电池提供的化学电能,大部分均无法直接使用,75%%以上的电能应用需由功率半导体进行变换以后才能供设备使用。每个电子产品均离不开功率半导体器件。功率半导体的作用是使电能更高效、更节能、更环保并给使用者提供更多的方便。如通过变频来调速,使变频空调在节能70%%的同时更安静并让人更舒适;手机的功能越来越多,同时更加轻巧,很大程度上也得益于超大规模集成电路的发展和功率半导体研发的进步;同时,人们希望一次充电后有更长的使用时间,在电池技术没有革命性进步以前,需要更高性能的功率半导体器件进行高效的电源管理。正是由于功率半导体技术能将“粗电”变为“精电”,因此它是节能减排的基础技术和核心技术。


随着绿色环保理念在国际上的确立与推进,功率半导体的发展应用前景更加广阔。消费电子、工业控制、照明等传统市场需求的稳定增长以及汽车电子市场的逐渐扩大,加上通信和电子玩具市场的火爆,都使功率半导体市场继续保持稳步的增长态势。同时,高效节能、环境保护已成为当今全世界的共识,提高效率与减少待机功耗已成为消费电子与家电产品的两个非常关键的指标。中国目前已经开始针对某些产品提出能效要求,对冰箱、空调、洗衣机等产品实施了能效标识政策,这些提高能效的要求又成为功率半导体迅速发展的另一个重要驱动力。


据国际权威机构预测,2011年功率半导体在中国市场的销售量将占全球的50%%,年销售额接近200亿美元。与微处理器、存储器等数字集成半导体相比,功率半导体不追求尺寸的快速缩小,它的产品寿命周期可为几年甚至十几年。同时,功率半导体也不要求最先进的生产工艺,其生产线成本远低于“摩尔定律”制约下的超大规模集成电路的发展成本。因此,功率半导体非常适合我国的产业现状以及我国能源紧张和构建和谐社会的国情。


 


国家政策推动产业进步


 


目前,国内功率半导体高端产品的研发与国际大公司相比还存在很大差距,高端器件替代进口的工作才刚刚开始。因此国内半导体企业在提升工艺水平的同时,应不断加大国内功率半导体技术的创新力度和提高产品性能,以满足高端市场的需求,促进功率半导体市场的健康发展以及国内电子信息产业的技术进步与产业升级。


在政策方面,国家中长期发展规划、重大科技专项、国家863计划、国家973计划、国家自然科学基金等都明确提出要加快集成电路、软件、关键元器件等重点产业的发展,在国家刚刚出台的《电子信息产业调整和振兴规划》中,强调着重从集成电路和新型元器件技术的基础研究方面开展系统深入的研究,为我国信息产业的跨越式发展奠定坚实的理论和技术基础。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006年-2020年)》中明确提出,功率器件及模块技术、半导体功率器件技术、电力电子技术是未来5年~15年15个重点领域发展的重点技术之一。在目前国家重大科技专项的“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”和“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”两个专项中,也将大屏幕PDP(等离子显示屏)驱动集成电路产业化、数字辅助功率集成技术研究、0.13微米SOI通用CMOS与高压工艺开发与产业化等功率半导体相关课题列入支持计划。在国家973计划和国家自然科学基金重点和重大项目中,属于功率半导体领域的宽禁带半导体材料与器件的基础研究也一直是大力支持的研究方向。


总体而言,从功率半导体的市场需求和国家政策分析来看,我国功率半导体的发展呈现以下3个方面的趋势:硅基功率器件以实现高端产品的产业化为发展目标,高压集成工艺和功率IC以应用研究为主导方向,第三代宽禁带半导体功率器件、系统功率集成芯片PSoC(可编程系统级芯片)以基础研究为重点。


 


国内技术水平仍处低端


 


在中国半导体行业中,功率半导体器件的作用长期以来都没有引起人们足够的重视,发展速度滞后于大规模集成电路的发展。国内功率半导体器件厂商的主要产品还是以硅基二极管、三极管和晶闸管为主,目前国际功率半导体器件的主流产品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先进的超结低功耗功率MOS尚无法生产,另一主流产品IGBT(绝缘栅双极型晶体管)尚处于研发阶段;宽禁带半导体器件主要以微波功率器件(SiCMESFET和GaNHEMT)为主,尚未有针对市场应用的宽禁带半导体功率器件的产品研发;目前的市场热点——— 高压BCD集成技术虽然引起了从功率半导体器件IDM厂家到集成电路代工厂的高度关注,但目前尚未有成熟稳定的高压BCD工艺平台可供高性能智能功率集成电路的批量生产。


由于高性能功率半导体器件技术含量高和制造难度大,目前国内的生产技术与国外先进水平存在较大差距,很多中高端功率半导体器件必须依赖进口。差距主要表现在以下4个方面:


一是产品技术水平落后。国外以功率MOS为代表的新型功率半导体器件已经占据主要市场,而国内功率器件生产还以传统双极器件为主,功率MOS以平面工艺的VDMOS为主,缺乏高元胞密度、低功耗、高器件优值的功率MOS器件产品;国际上热门的以Superjunction(超级结)为基础的低功耗MOS器件在国内尚处于研发阶段;IGBT只能研发基于穿通型PT工艺的600V产品或者NPT型1200V低端产品,远远落后于国际水平。


二是工艺技术水平较低。国内大部分功率半导体分立器件的生产仍采用IDM(垂直整合制造)方式,采用自身微米级工艺线,主流技术水平和国际水平相差至少2代以上,产品以中低端为主。但近年来随着集成电路产业的迅速发展,国内半导体工艺条件已大大改善,已拥有进行一些高端产品如槽栅功率MOS、IGBT甚至超结器件的生产能力。


三是高端人才资源匮乏,尤其是高端设计人才和工艺开发人才非常缺乏,现有研发人员的设计水平有待提高,特别是非常缺乏具有国际化视野的高端设计人才。


四是国内市场前10大厂商中无一家本土厂商,半导体功率器件产业仍处在国际产业链分工的中低端。对于附加值高的产品如IGBT、AC-DC功率集成电路等,现阶段国内仅有封装能力,不但附加值极低,还形成了持续的技术依赖。


  以强化器件设计能力为突破口


功率半导体是最适合中国发展的半导体产业,相对于超大规模集成电路而言,其资金投入较低、产品周期较长、市场关联度更高。但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面,应大力发展设计技术,以市场带动设计,以设计促进芯片,以芯片壮大产业。


功率半导体芯片不同于以数字集成电路为基础的超大规模集成电路,功率半导体芯片属于模拟器件的范畴。功率器件和功率集成电路的设计与工艺制造密切相关,因此国际上著名的功率器件和功率集成电路提供商均属于IDM企业。但随着代工线的迅速发展,国内如华虹NEC、成芯、无锡华润上华等均可提供功率半导体器件的代工服务,并正积极开发高压功率集成电路制造平台。功率半导体生产企业也应借鉴集成电路设计公司的成功经验,成立独立的功率半导体器件设计公司,充分利用代工线先进的制造手段,依托自身的销售网络,生产高附加值的高端功率半导体器件产品。


设计弱于芯片是因为设计力量的薄弱。虽然国内一些功率半导体生产企业新建设了6英寸功率半导体器件生产线,但生产能力还远未达到设计产能。其中的关键原因是技术人员特别是具有国际视野和丰富生产经验的高级人才的缺乏。企业应加强技术人才的培养与引进,积极开展产学研协作,以雄厚的技术实力支撑企业的发展。


我国功率半导体行业的发展最终还应依靠功率半导体IDM企业,在目前自身生产条件落后于国际先进水平的状况下,IDM企业不能局限于自身产品线的生产能力,应充分依托国内功率半导体器件庞大的市场空间,用技术去开拓市场,逐渐从替代产品向产品创新、牵引整机发展的方向转变。同时,要大力提高设计能力,一方面依靠自身工艺线进行生产,加强技术改造和具有自身工艺特色的产品创新;另一方面要借用先进代工线的生产能力,壮大自身产品线,加速企业发展。


 


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功率半导体技术发展趋势


 


在功能多样化的“MoreThanMoore(超摩尔定律)”产品领域,功率半导体是其重要组成部分。虽然不同应用领域对功率半导体技术的要求有所不同,但从其发展趋势来看,功率半导体技术的目标始终是提高功率集成密度,减少功率损耗。因此功率半导体技术研发的重点是以提高效率、增加功能、减小体积、不断发展新的器件理论和结构为突破口,促进各种新型器件的发明和应用。下面我们对功率半导体技术的功率半导体器件、功率集成电路和功率系统集成等三个方面的发展趋势进行梳理和分析。


功率半导体器件:国内也称为电力电子器件,包括功率二极管、功率MOSFET以及IGBT等。为了使现有功率半导体器件能适应市场需求的快速变化,需要大量融合超大规模集成电路制造工艺,不断改进材料性能或开发新的应用材料,继续优化完善结构设计、制造工艺和封装技术等,提高器件功率集成密度,减少功率损耗。目前,国际上在功率半导体器件领域的热点研究方向主要为器件新结构和器件新材料。


功率集成电路(PIC):是指将高压功率器件与信号处理系统及外围接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片上的集成电路,又称为智能功率集成电路(SPIC)。智能功率集成作为现代功率电子技术的核心技术之一,随着微电子技术的发展,一方面向高压高功率集成(包括基于单晶材料、外延材料和SOI材料的高压集成技术)方向发展,同时也向集成更多的控制(包括时序逻辑、DSP及其固化算法等)和保护电路的高密度功率集成领域发展,以实现功能更强的智能控制能力。


功率系统集成技术:在向低功耗高密度功率集成技术发展的同时,功率半导体也逐渐进入传统SoC和CPU、DSP等领域。目前,SoC的功耗问题已经成为制约其发展的瓶颈,因此研发新的功率集成技术是解决系统功耗的重要途径。同时,随着线宽的进一步缩小及内核电压的降低,产业对电源系统提出了更高要求。为了在标准CMOS工艺下发展包括功率管理功能的低功耗SoC,功率管理单元需要借助数字辅助的手段,即数字辅助功率集成技术(DAPI)。DAPI技术是近几年数字辅助模拟设计在功率集成方面的深化与应用,即采用更多数字的手段,辅助常规的模拟范畴的集成电路在更小线宽的先进工艺线上得到更好性能的电路。


责任编辑:电子信息产业网
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