功率半导体的发展历程及其展望
技术分类：电源技术模拟设计 | 2005-02-16
EDN China
功率半导体器件和电力电子
世界上最早的半导体器件是整流器和晶体管，当时并没有功率半导体或微电子半导体之分。1958年，我国开始了第一个晶闸管研究课题(当初称为PNPN器件)。在大致相似的时间里，集成电路的研究也逐步开始。从此半导体器件向两个方向发展。前者成为电力电子学的基础，后者则发展并促成了微电子及信息电子学。
按照我国当时的体制，功率器件被归入机械系统，集成电路则列入电子系统。由于半导体的龙头在电子系统，再加上集成电路又是半导体的主体，因而经过长期的演变，在一些场合集成电路几乎成为半导体器件的唯一代名词。
六十年代末七十年代初，在全国曾掀起过一个"可控硅"热。这个热潮持续甚久，影响很大，因而国内至今仍有人认为功率半导体的主体就是可控硅。七十年代末
，可控硅发展成为一个大家族。并被冠以一个标准化的名称"晶闸管"。由于以开关技术来调节功率，所以在器件上的损耗很小，因此被誉为节能的王牌。其应用领域更是遍及到各个领域。我国在1979年开始酝酿成立电力电子学会，略早于美国IEEE成立电力电子学会(Power Electronics Society)。中国的电力电子学会成立后，由于专业的重要性，发展的速度很快。但当时也因为归口关系，它没有像美国那样成为一个独立的专业学会，而隶属于其后成立的中国电工技术学会。
把Power Electronics翻译和定义为电力电子(当初也有人主张称为功率电子)，对电力电子的普及化起了一定的作用。机械，电力，电子等部门都很关心它的发展。相关的功率半导体器件也因此被称为电力电子器件。但这个名称在国外却很难找到相对应的词汇。"电力"电子的提法在取得普及的同时，也留下了一些后遗症。使人们误认为只有大功率方向才是"电力"电子器件的主体，而难以将迅速发展的MOSFET视为"电力电子"的另一个主体。从这一点来说，我愿意以功率半导体器件作为本文的主题，而电力电子器件则可以更广义地用来表达包括其他非半导体在内的各种功率电子器件。
功率半导体器件发展的三个阶段
功率半导体器件的发展，大致可分为三个阶段。第一阶段是六十到七十年代，那时各种类型的晶闸管和大功率达林顿晶体管有很大的发展，或可称为是双极性的年代。其服务对象是以工业应用为主，包括电力系统，机车牵引等。第二阶段是八十到九十年代，由于功率MOSFET的兴起，使电力电子步入了一个新的领域。为近代蓬勃发展的4C产业：即Communication，Computer，Consumer，Car(通信，电脑，消费电器，汽车)提供了新的活力。二十一世纪前后，功率半导体器件的发展又进入了第三阶段，即和集成电路结合愈来愈紧密的阶段，图一及图二对上述描述作了一个简单的归纳。当然，这里首先需要嗬重说明的是：当功率半导体器件不断发展时，前一阶段的主导产品并未退出历史舞台。例如晶闸管至今仍是一种重要产品。我国近年来先后引进超大功率晶闸管，光控晶闸管技术，为我国重大发电输电等项目，提供了关键器件。近来又在考虑引入IGCT技术。我国在这方面应该说已逐步走向世界前列。这与我国正在进行许多重大的基本建设有关。虽然从美国来看，大功率晶闸管的生产已愈来愈少，说明两国的经济发展历程并不完全相同。我在图二中画出了功率半导体器件在两个方向上的发展。左侧是双极性方向，正向著超大功率及集成化方向发展。右侧是单极性方向，它正和集成电路建立了愈来愈密切的不可分割的关系。
功率半导体器件和微电子
功率半导体器件是半导体器件中的重要一环，它和微电子器件关系紧密，因为微电子器件需要功率半导体器件配套以提供其电源及执行系统。如迅速发展的电脑，当CPU从286，486，向奔腾I，II，III，IV…发展时，对作为电源的功率半导体要求也愈来愈苛刻。例如现在正在发展电压小于1伏，电流上百安培的电源，这就必须发展最新的MOSFET器件才能满足需要。为了达到这些不断更新的性能指标
，功率半导体器件必须采用微电子器件相似的精细工艺。这也是本文将详细叙述的。
功率半导体器件和集成电路的紧密结合，在图一中列了四个方面:即
1)功率和微电子器件在芯片制造工艺上已日趋接近：功率MOS型器件为了达到更好
的性能，例如要求更低的通态电阻，其工艺已从二十年前的几微米的技术迅速向亚微米甚至深亚微米发展。这和微电子器件的发展是一致的。
2)MOS型器件的封装技术也正在向集成电路靠近。这几年来，功率MOS器件已采用了像倒置(Flip)，球栅阵列(BGA)和多芯片模块(MCM)等包装形式。这些都是比较新的集成
电路包装形式。
3)从器件结构来看，把功率MOS 型器件和集成电路做在同一个芯片上或是同一个包
装中，是新的发展方向之一。所以把功率半导体器件
简单地等同为分立器件就不再合适了。以IR公司产品为例，功率集成电路，或是和IC做在一起的功率器件，以及特殊的先进器件，已占有其产品的一半以上。
4)全面解决(Total Solution)是各种器件的最终设想。寻求器件的功能完整，解决应用
中所有的问题是器件制造者的理想。有了集成电路进入了功率半导体器件，这种全面解决的方案就更容易实现了。不仅对小功率方向是如此，甚至大功率方向也在追求更大的集成度和全面解决方案。当然，由一个器件来包含所有功能并不一定永远是最佳方案。例如要考虑成品率的损失，还要注意保护客户主动开发电路的积极性。
功率半导体器件概貌
有了上面那些对发展的总概念，下面来介绍一下功率半导体器件所包含的内容。图三给出了功率半导体器件的概貌。它可以分为三大部分，即双极性器件为主的传统功率半导体器件，以MOSFET和IC为主的现代功率半导体器件，和在前两者基础上发展起来的特大
功率器件。本文将重点叙述现代功率半导体器件这部分，这些内容的变化是十分快的*。
首先，从MOS型器件来看，它一直在向两个方向发展：
一)按传统功率半导体的方向，即希望器件能有较高的电压，但仍有较低的内阻或压降。最典型的如绝缘栅双极性晶体管IGBT，它的结构和MOSFET十分相似。它具有MOS器件栅极绝缘和快速开关的能力。但其功率额定值◆类同于晶闸管。所以被原来做电力电子技术人员赏识为功率半导体器件的新平台。从IGBT的芯片来说，更新换代的速度也很快，如IR 的第五代采用区熔硅材料的非穿通结构(NPT)，因其有更强的耐用度(ruggedness)而有利于较高压的工业应用。近年来在此基础上又发展了场终止(Field Stop)结构，使IGBT芯片可进一步减薄，例如做1200伏的FS IGBT只要用120微米厚度的硅片，从而又进一步降低了
压降和动态损耗。IGBT实际上也有三个方向，1)做成塑封器件，它被大量用于家电的发展。
2)做成模块形式，或者加上保护电路，触发电路成为智能功率模块(IPM)，这在空调设备中
用得很多。近年来，IR公司正在发展一种称为iNTERO系列的模块。如图四所示。所谓intero，是意大利文，相当于英文中的entire，也就是全部的意思。它包含了一整套从较简易到较复杂的各种模块。如从仅含功率器件的主回路的功率集成模块PIM/BBI(Power Integrated Module/Bridge，Brake，Inverter)开始，发展到智能功率模块IPM，到I2PM(内表面绝缘的智能功率模块)，一直到最新的程控绝缘智能功率模块PI-IPM (Programmable Isolated-IPM)。在PI-IPM中又分为两种类型，即已写入软件的或尚未写入软件等两种。另外正在发展另一种简易型的直接插入式的模块，称为"Plug&Drive"，可用于较小功率的空调和其他家电。3)在特大功率方面，IGBT也已跻身为一重要成员，例如做到6500伏的IGBT，可用来代替传统的GTO。在这方面，一些欧洲及日本的公司都有较大的发展。
nbsp; 在较高压的方向，MOSFET本身也作出了很多改进。例如超结结构。它突破了传统的MOSFET理论极限，展示了动人的前景。
二)MOSFET的更为主导的方向是向极低内阻等方向发展。最典型的就是在电脑中的应用。图五表明了内阻(RxA)及其开关优值(RxQswitch) 性能迅速改进的趋势。为达到这种性能，它要求每个MOSFET由更多更小的MOSFET原胞组成。这就要求其工艺精度必须向亚微米方向发展。
除了芯片性能的改进外，外壳包装技术也有了很大突破，IR在发展倒置场效应晶体管，又称"FlipFET"的基础上，今年又推出了DirectFET，如图六所示。其源极和栅极倒置因而可直接焊在印刷线路板上，漏极则焊在其顶部的金属壳上，必要时可以按上散热器或直接与设备外壳接触。DirectFET的尺寸相当于传统的SO-8塑封(塑封面积约4x5平方毫米)外壳。在这么小的器件
中，第一次采用了双面散热结构。它是一个没有引线架，没有引线焊点的器件，因此带来了一系列优点：它的不带芯片的封装电阻(DFPR)仅为0.1mW,器件厚度仅为0.7mm，热阻和寄生电感都大为下降。这种特性使它特别适用于上面提到的电脑最新代的CPU中。在多相电路中，每个相仅用两个DirectFET即可输送30安电流。其电流上升率达每微秒400安，工作频率为1-2兆赫。
其次，必须嗬重介绍一下功率半导体器件中的IC方向：由于MOSFET和IGBT的发展，和它们配套以提供触发信号的功率集成电路PIC(Power IC)也随之迅速发展起来。当时又称为MOS栅驱动器MGD(MOS Gate Driver)或控制集成电路CIC (Control IC)。随著应用范围的扩大：如马达驱动，调光，各种电源等等，CIC的品种也有了迅速增加。而这些CIC在发展过程中，又逐渐由简单的触发功能向各种应用的特殊需要发展。早期的PIC主要是指可以在高压下使用的IC，所以又称高压集成电路(HVIC)。但目前很多应用，如通信，电脑，可⒆带电源等，它们并不要求有很高的电压，◆要求能针对特殊需要发展专用集成电路。因为它们和功率半导体器件结合应用，我们还是把它们列入了功率半导体器件一类。所以现在在功率半导体器件大家族中，有许多集成电路。其中很多集成电路内带有功率器件，有的则把功率器件分立在外。从这一点来说，功率和微电子的界限变得逐渐模糊。如电脑电源中大量应用的电压调制器件LDO(Low Drop Out)即为一例。它也不属于开关应用。
由于大量集成电路进入了功率半导体器件，因而考虑把集成电路和功率半导体器件做在同一个芯片或器件中的思路自然就发展了。做在同一芯片中，原来就是功率集成电路的概念，但其功率常比较小。而做在同一包装中，功率容量易于增大，一些无源元件也有可能加入，在这儿常称为多芯片模块(MCM)。
IR公司去年发展起来的iPOWIR是一种典型的多芯片模块。它将功率器件，控制用的集成电路，或再加上脉宽调制(PWM)的集成电路，按电源设计的需要，用BGA的封装技术组合在同一个器件中(如图七所示)。这种多芯片的器件大大简化了电源设计人员的工作。减小了元件数及所占的面积，性能上也有了很多改进。iPOWIR的发展，被认为是DC-DC变换的未来。但实际上，在其他各种应用领域，只要有进一步集成化的要求，MCM的结构
都会出现并且会愈来愈多。所以它将是整个功率半导体器件的重要发展方向。
在上面的介绍中，已经提到MOSFET的发展为4C产业的发展提供了重要的基础。而这4C产业，目前恰恰又是最活跃的产品方向。大家可以理解：在通信，电脑，消费电子及汽车的发展中，将需要有许多许多和IC紧密联系的各种类型的功率半导体器件。这方面每一个都可以用很大的篇幅来介绍。这◆就不再详述了。
结语
综上所述，功率半导体器件这些年来，不断地发生了很大的变化。所以不能再以固定的眼光去看待功率半导体器件的发展。
中国大功率半导体器件市场前景分析
2009-7-1 15:43:19 来源：中国自动化网浏览：3189 网友评论条点击查看
我国将节能降耗作为国家的基本国策之一，功率半导体器件的发展及推广应用是节能的重要技术手段。在此前提下，探究国内外大功率半导体的技术趋势以及各行业应用发展现状，为国内该行业的发展提供参考，最终提高国内电力电子技术应用程度的普及提升。
1大功率半导体器件的定义范围
依据中国电力电子协会主要功率半导体器件会员单位以及国际同行的主导产品结构，我们将大功率半导体拆分为三大类产品便于统计分析，即：200A以上大功率晶闸管、25A 以上晶闸管及整流模块、50A以上大功率IGBT。
2市场总体特点
大功率半导体技术已日益广泛地应用和渗透到电力、冶金、装备制造业、交通运输、国防等重点领域；并在新能源技术、激光等现代加工技术、高铁等前沿领域得到普及，总体来看，只要涉及到大功率的用电场合，以大功率半导体器件为核心的电力电子技术正逐步得到普及和提升。
近年来，我国功率半导体器件的发展十分迅速。产品的应用上，中小功率场合，晶闸管及整流模块、IGBT逐步得到较广泛的应用；大功率场合，仍以晶闸管为主。目前国内的功率器件制造，主要为晶闸管及其模块，只有几条小规模的IGBT后道封装线，还不完全具备研发、制造管芯的能力以及大功率IGBT的封装能力。
3大功率半导体器件的发展趋势
现代大功率半导体器件及其控制技术正朝以下几个方向发展：
（1）大电流、高压：现代电力电子器件正向大电流高压方向发展，以适应高压领域对电力电子器件快速需求的趋势，尤其在高压直流输电、高压电力无功补偿、高压电机、变频器等领域。
（2）高频化：从高压大电流的GTO到高频多功能的IGBT、MOSFET，其频率已从数千HZ到几十KHZ、MHZ。这标志着电力电子技术已进入高频化时代。
（3）集成化、智能化：几乎所有全控型器件都由许多的单元胞管子并联而成（IGBT、GTO）。
4主要国家或经济体大功率半导体市场规模及发展趋势分析
表1 2005年－2010年全球不同国家的大功率半导体市场规模(亿元)
资料来源：issuply
（1）美国：美国是电力电子器件的发源地，在全球电力电子器件市场中占有重要的位置。但近年来，电力电子器件生产逐步转移到欧洲及发展中国家，市场规模增长有限。美国著名的大功率半导体器件厂商有IR等。
（2）日本：从上世纪90 年代开始，日本一直是全球的电力电子器件的最大市场，占全球市场的30%以上。2000 年以后，亚洲成为电力电子器件最大的消费地区后，日本市场所占比率逐步下降。
日本电力电子器件厂商主要有Toshiba、Fuji Electric、SanRex、Mitsubishi。
（3）欧洲：是全球电力电子器件研发生产和市场发达的地区，拥有全球著名的ABB、INFINEON、DYNEX、Semikron等。
（4）中国：近年来随着中国经济的持续发展以及国家在电力、交通及基础设施的大规模投入，电力电子器件市场发展迅速，在全球市场中所占的份额越来越大。已成为全球最大的大功率电力电子器件需求市场。
5中国大功率半导体器件市场分析
由于中国经济的快速发展，中国目前已经成为全球最大的大功率分立器件市场。据统计，2008年中国的大功率分立器件市场规模达到了51.35亿元人民币，在全球市场中占到了39.19%的份额。预计未来5年，中国大功率分立器件市场销售额将保持20%的年均复合增长率，到2010年市场销售额将达到75.67亿元人民币,全球市场占比预计也将超过47. 40%。
表2 2005年-2010中国不同种类的大功率半导体需求市场规模（亿元）
资料来源：CCID
总的来看，三大类产品中，晶闸管及整流模块由于涵盖的范围宽泛，目前仍是市场占比（销售收入占比）最高的一类。初步预计模块产品2005-2010年的复合增长率超过19%。
晶闸管产品，尽管这类产品是截至目前发展时间最长，国内技术也相对成熟，但由于国内庞大的需求市场，未来数年行业仍将维持18%以上的增长率。明显的成本优势是这类产品持续走俏的重要原因所在。
大功率IGBT在未来数年的发展中将呈现极高的增长率状况，但以进口为主。
6中国大功率半导体下游行业需求特征与需求规模分析
大功率半导体器件主要应用于输变电、冶金、马达驱动、轨道交通、电焊机、大功率
电源等各个领域，从市场角度来看，各领域需求的增长稳定，都对大功率半导体的销售带来积极影响，大功率半导体分立器件产业保持着持续、快速、稳定的发展，产业规模不断壮大。并且随着国家节能降耗政策力量的加大，增长会更加迅速。具体规模如表3所示。
表3 2005年－2010年中国大功率半导体不同应用领域的市场规模(亿元)
资料来源：CCID
（1）电力的输变电
目前持续加大输变电领域投资是中国电力工业长期发展的必然趋势。而“十一五”是中国电网建设跨越式的发展阶段，尤其是目前投资规模达近4万亿的“智能电网”已经成为国家电网建设的战略重点。未来几年无疑将是输配电设备行业发展的大好时机，大功率特别是高压大电流的晶闸管器件的市场会高速发展。
（2）钢铁及金属冶炼行业发展现状及趋势
我国钢铁行业固定资产投资增速较快，钢铁及冶炼行业是大功率半导体应用的主体领域之一。设备以熔炼炉和轧机控制为主．基本上该领域所采用到的大功率半导体产品均为高压高流产品。
表4 2002年－2008年中国钢铁重要产品产量一览（亿吨）
资料来源：中钢协
（3）马达驱动（变频器、软启动）
目前，软启动产品和变频器电源主要用于电机的启动和变频调速, 在各行各业得到越
来越广泛的应用，其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。市场增速也是目前大功率半导体应用领域分布中较快的一类，年复合增长率接近22%,未来发展势头良好。
（4）轨道交通行业
由于近年来我国以高铁、城市轨道交通以及铁路电气化改造的投资庞大，增速迅猛，轨道牵引设备及充电整流设备市场亦得到突飞猛进的发展。目前，轨道交通领域是大功率半导体应用的第二大市场，市场规模远远高于传统应用领域，2005-2010年的市场年复合增长率超过22%。未来市场发展持续看好。
（5）大功率电源
传统的大功率电源如电解铝装置、电解食盐装置广泛、静电除尘高压直流电源等采用大功率的半导体器件作为供电电源装置的重要组件。新型的大功率开关电源广泛应用于电子、通信、航天、医疗等现代化工业、国防事业和大型科研项目中，具有非常广泛的应用前景。总的来看，大功率电源在高端市场应用有很大的拓展空间，市场年复合增长将达到25%以上。
（6）电焊机市场
随着我国钢铁产业的增长，焊接设备和材料需求量与钢材消费量成正比焊接设备行业总体经济情况运行良好，电焊机领域是大功率半导体应用的传统领域之一，大功率的晶闸管及整流模块在直流弧焊机的应用极广，以整流模块和IGBT为核心的逆变焊机市场更是发展迅速。2005-2010年的市场需求年复合增长率17%。
（7）其他领域
目前大功率半导体除上述的几大应用领域以外，还广泛应用于有色金属、采矿、传动、造纸、纺织、汽车等多类领域，随着国家节能减排的压力带来上述行业的能源利用的技术改造，市场应用从无到有，增速极为可观。2005－2010年市场年复合增长率接近30%。市场持续看好。
7总论
从报告可以看出，中国的发展需要有电力电子产业的飞速发展，而电力电子产业的发展离不开大功率半导体器件的发展，器件水平决定着整个行业的发展水平。而目前随着国内大规模的电网改造、铁路建设、高速电力机车的普及，以及国家工业、军事以及基础工程的大量投入，必将为中国的电力电子事业创造更好的机遇，需要国家从产业政策上进行扶持，企业在技术设备上进行更多的投入，不仅在传统器件上要做到世界领先，在新型大功率器件如IGBT方面也要取得突破。为国家的经济建设和节能减排做出贡献。
现代功率半导体模块简介
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电力电子半导体器件在现代电力电子技术中占据着重要的地位，它正向高频化、大功率化、智能化和模块化方向发展，其中模块化应用更为深入。 (1) 电力电子半导体模块化：
模块化，按最初的定义是把两个或两个以上的电力半导体芯片按一定的电路结构相联结，用RTV、弹性硅凝胶、环氧树脂等保护材料，密封在一个绝缘的外壳内，并且与导热底板相绝缘而成的。
自从模块原理引入电力电子技术领域以来，已开发和生产出多种内部电路相联接形式的电力半导体模块，诸如双向晶闸管、电力MOSFET以及绝缘栅双极型晶闸管(IGBT)等模块，使得模块技术得以更快的发展。伴随着MOS结构为基础的现代半导体器件研发成功，人们把器件芯片与控制电路、驱动电路、过压、过流、过热和欠压保护电路以及自诊断电路组合起来，密封装在同一绝缘外壳内称之为智能化电力半导体模块，即IPM。
为了提高整个系统的可靠性，以适应电力电子技术向高频化、小型化、模块化方向发展。在IPM的基础上，再增加一些逆变器的功能，使逆变电路(IC)的所有器件以芯片形式封装在一个模块中，便成为用户专用电力模块(ASPM)，这样的模块更有利于高频化。为了能使逻辑电平为几伏、几毫安的集成电路IC与几百伏、几千伏的电力半导体器件相集成，以满足电力事业的发展，人们采用混合封装方法制造出能适应于各种场合的集成电力电子模块(IPEM)。 (2) 智能晶闸管模块：
晶闸管智能模块ITPM(Intelligent Thyristor Power Mudule)，是把晶闸管主电路和移相触发系统以及过电流、过电压保护、传感器等共同封装在一个塑料外壳内制成的，使有关电路成为了一个整体。该晶闸管是电流控制型电力半导体器件，需要大的脉冲触发功率才能驱动晶闸管，该模块做起来具有一定难度。
(3) IGBT智能模块：
80年代，绝缘栅双极晶体管IGBT器件研发成功。由于IGBT器件具有电压型驱动、驱动功率小、开关速度高、饱和压降低以及可耐高电压、大电流等一系列应用上的优点，并可用IC来实现驱动和控制，进而发展到集成IGBTA芯片、快速二极管芯片、控制和驱动电路、过压、过流、过热和欠压保护电路，箱位电路以及自诊断电路等封装在同一绝缘外壳内，具有智能化的IGBT模块(IPM)。它为电力电子逆变器的高频化、小型化、高可靠性和高性能创造了器件基础。
(4) 通信电源模块：
现今电力电子技术在电源模块中发展的趋势是低电压、大电流。在次级整流电路中选用同步整流技术成为一种高效、低损耗的方法。由于功率MOSEFT的导通电阻很低，能提高电源效率，因而在采用隔离Buck电路的DC/DC变换器中已开始应用。同步整流技术是通过控制功率MOSEFT的驱动电路，实现整流功能的技术。一般驱动频率固定，大约可达200kHz以上，门限驱动可以采用交叉合(Crosscoupled)或外加驱动信号配合死区时间控制实现。同步整流技术不仅提高了电源效率，而且给通信电源模块带来了新的进步，使得同步整流成为一种主流电源技术，应用于广泛的工业生产领域。
功率半导体行业的春天
2010/6/7/9:14来源：LED环球在线
功率半导体下游需求旺盛，发展前景看好。随着全球经济复苏势头增强，iSuppli公司预测2010年半导体市场营业收入为2833亿美元，增长率达到23.2%.
MOSFET市场前景广阔。2007年全球MOSFET的销售额大约为52.89亿美元，MOSFET 的销售额占全部功率半导体的比重大约为20%,MOSFET主要应用于消费电子、计算机、工业控制、网络通信、汽车电子和电力设备六大领域。
IGBT:节能减排的先锋。2007年全球IGBT的销售额大约为31.36亿美元，IGBT的销售额占全部功率半导体的比重大约为8%.IGBT主要用于通信、工业、医疗、家电、照明、交通、新能源、半导体生产设备、航空、航天及国防等诸多领域。
中国企业技术实现突破，功率半导体行业进口替代空间巨大。2009年我国功率半导体销售额已超过870亿元，同比增长5.86%.我国的功率半导体市场在未来几年里还会保持增长，2010年预计将增长10%,市场规模将达到956.6亿元，2011年将达到1060.5亿元。由于目前中国市场功率半导体器件有接近90%需要进口，因此中国掌握功率半导体核心技术的企业未来面临巨大的进口替代市场空间。
国家对于功率半导体行业发展的扶持力度加大。在2009年出台的《电子信息产业调整和振兴规划》中，明确提出要提高新型电力电子器件、高频频率器件等产品的研发生产能力，初步形成完整配套、相互支撑的电子元器件产业体系。2010年3月19日国家发改委专门出台针对支持功率半导体发展的文件《国家发展改革委办公厅关于组织实施2010年新型电力电子器件产业化专项的通知》，重点支持MOSFET、IGCT、IGBT、FRD等新型电力电子芯片和器件的产业化。
中国功率半导体工业持续高速发展，旺盛需求功不可没
来源：网络| 时间：06-12-07 09:20:29 | 阅读:28
编者按：尽管相比前一年，2005年中国网络通信和工业控制类功率芯片的市场发展趋缓，但是在以MP3、数码相机为代表的消费类电子和以PC、笔记本和显示器为代表的计算机类电子对功率半导体的巨大需求刺激下，当年中国功率半导体市场仍然以高出全球平均增长率的速度继续扩张，来自赛迪顾问的数据显示，该年中国功率半导体市场规模达到创纪录的448.1亿元，较前一年大幅增长26.8%。
2006年，这股热潮依然没有降温。有厂商透露，今年上半年部分功率半导体器件由于生产厂商重点转移或产能不足，甚至一度出现断货现象。这无疑从侧面反映了中国功率半导体市场的巨大潜能。北京新雷能研发副总王士民对此表示，中国的功率半导体市场已占全球市场的18%~20%，而随着OEM和ODM业务继续向本地转移，这个数字还会增加。因此，出现断货不足为奇。
旺盛需求造就乐观前景
“随着大中华地区半导体芯片设计公司、晶圆厂及封测厂的技术成长与成熟, 再加上中国庞大内需消费市场的快速成长。大中华地区的功率半导体市场会逐年成长并同时在全球供应链中占有重要的比重地位。”来自台湾崇贸科技(System General)的中国区协理张士滨表
示。
中兴通讯动力产品部总经理赵燕军的赞同上述意见。他认为，中国有巨大的电源需求市场和加工市场，导致了中国对于电源半导体的巨大需求。“随着中国电源企业的竞争力加强，未来几年在半导体需求市场上占据越来越大的比例。”赵燕军说。
哈尔滨圣邦微电子(SGMC)战略市场经理徐前江也加入到乐观者的行列。“中国已经成为世界电子工业的制造中心。中国工程师的设计能力正在逐年提高，所设计的产品也正在变得复杂。”徐前江认为，“与之相对应，中国功率半导体市场的增势迅速，在以手机为代表的手持设备、通讯系统、平板电视、机顶盒、PC、照明以及汽车电子等市场的推动下，今后数年中国功率半导体市场都将保持15%以上的年均复合增长率(CAGR)。”
功率半导体市场上，电源管理IC的销售始终占据着一个巨大的比重。来自长运通(CYT)集成电路设计公司的总经理古道雄表示，随着越来越多的公司加入这一领域，中国电源管理IC
供应商之间的竞争将成白热化状态。他说：“中国电源管理IC市场正以每年20%~30%的速
度递增。这几乎是全球平均增速的两倍。”
此外，经过近15年的发展，中国开关电源市场也已经逐步完善。从低端的充电器电源到高端的通信开关电源甚至军品开关电源都逐步形成了较细分的专业电源市场。“中国开关电源市场已经进入成熟期。”核达中远通营销专员王勇表示，“经过惨烈的市场竞争，该行业已进入微利时代。由于中国的通信市场具有广阔的发展空间，而且没有出现新的替代品，中国开关电源市场还将保持一定的稳定性，衰退期为时尚早，成熟期还将维持相当长一段时期。”
有利与不利因素
毫无疑问，庞大的市场需求极大地推动了中国功率半导体工业的发展。不过除此之外，专家们还认为有许多其他各种有利和不利的因素在影响着其发展趋势，并左右中国功率半导体工业的未来。
赵燕军认为，中国在半导体工业方面不断加大的投资应该加入到有利因素的行列。这与古道雄的观点不谋而合：“私人资金的大量进入无疑推动了包括电源管理IC在内的本土IC设计领域的发展。”后者指出，这些私有资金主要集中在市场和产品上，其作用是加大了竞争。而这对IC采购商是大有好处的。因为方案设计公司能以较低的价格得到性能更好的芯片。并反过来给予他们降低成本的空间，进一步扩大市场。
不过，资金的盲目进入有时候反而可能成为阻碍产业前进的绊脚石。古道雄警告说，如果这些资金利用不当，比如一旦私有资金、特别是政府赞助资金出现错误的投向——这些资金并不针对于市场或产品，而是针对
一些人或者具有特别的目的——那么该项目就不会持久。到最后，所牵涉到的人和公司都会
受到伤害。
对于由归国人员创办的圣邦微电子来说，最接近市场最靠近客户无疑是中国功率IC设计公司发展的最有利因素。不过，该公司的徐前江同时也列出了本土IC设计厂商的需要克服的不利因素：1.产品线单一；2.品牌需要得到客户认可；3.技术和经验缺乏积累。事实上，这也可以理解为本土公司的弱点。
中国IC市场刚刚起步。在知识产权的保护方面，也存在着不少问题。而长期如此无疑会打击工业界开拓创新的激情。“主要是知识产权相关保护机制的建立问题。”崇贸科技的张士滨解释道，“从最基本的产品仿冒及侵犯商标惩罚机制的制定与实施，到知识产权的审核及核准时间和最终的侵权罚则，这些相关的管理机制都应再更加确实地研拟并落实，以防止‘白牌手机’影响中国手机自有品牌发展的现象蔓延到电源半导体市场, 阻碍大中华地区电源半导体市场的成长。”
站在电源模块供应商的角度，北京新雷能研发副总王士民认为，中国市场在大功率的应用领域，如电站等基础设施的建设中使用的功率半导体器件有别于欧美市场，目前还是处于世界前列。至于在其他如通信、电脑、消费电器和汽车等应用领域，由于国内半导体工业的整体平台问题，目前无论是在芯片的设计、工艺的实现还是封装、集成工艺等方面，中国企业跟国外的同行还是有一定的差距。而赵燕军也同意这一点。“技术水平特别是工艺技术水平与国际公司的差距较大，在市场竞争中处于劣势。”赵燕军说。
跟随需求推出创新产品
尽管在电源管理IC方面起步较晚，但是随着圣邦微电子、长运通、芯源科技以及深圳美芯的崛起，中国企业近年在这方面的进步相当迅速。
哈尔滨圣邦微电子已经推出的电源管理IC主要针对手持设备。目前主要是一系列以低功耗、低噪声、高PSRR为特征的LDO芯片。而最近推出RF LDO产品SGM2007，PSRR值高达74dB，输出电流300mA，且在300mA满载条件下压降只有270mV，关断状态消耗电流典型值仅为0.01μA。徐前江称，SGM2007可以广泛用于手机、MP3、DSC等手持设备。他还表示，圣邦微电子产品的性能及质量已经得到了广大客户的认可。此外，手机照明、音频功率放大以及DC/DC产品也是该公司相对看好的市场，很多产品已经在设计之中。
长运通同样也将目光放在了手持设备市场。MP3、MP4、手机等便携式数码产品是其关注的重点。该公司不久前推出了一款型号为CYT5026的锂电池简单充电方案。据悉，锂电池爆炸或者寿命过短都是由于不正确的IC设计所导致的。锂电池充电包括预充电、恒流充电和恒压充电三个阶段。而良好的设计可以保证三个步骤中有效的增加电池的寿命并消除爆炸的可能。CYT5026通过5脚SOT-23封装整合了这三个功能在一个芯片中。这将简化方案设计公司的任务，并降低系统成本。
古道雄透露，该公司的基本思路是逐步成为满足客户方案所需的整套元件供应商。“我们已经有了一个针对便携式产品应用的整套方案。今后将会通过提供更多的选择进一步对其进行完善。比如我们已经推出了针对LED驱动的一系列产品，接下来还会增加平行的LED驱动，从而为客户提供更多的选择。”
电源管理IC同样是崇贸科技的重点产品。目前主要有AC/DC PWM控制IC、PFC/PWM集成控制IC以及辅助(house keeping)管理IC三大类。节能是这些产品最大的特点。最近，该公司又开发出了一款符合80plus节能标准的顺向式电源解决方案，包括三款芯片：高集成度PFC/PWM顺向式组合芯片SG6931/2、低功率返驰式PWM控制芯片SG6858、高整合度监控IC SG6516。其中SG6931/2的专利放大器技术可改善输出动态响应，并提供可调整的PWM 最大周期。此外，SG6858的专利green mode省电技术可达到超低待机功耗。而SG6516
的全面监控及保护功能则为电源系统提供了完整的保护。
挑战：生产强而设计弱
赵燕军则指出，主要的挑战应该是在原材料加工工艺技术上的挑战。而圣邦微电子的徐前江认为，对大陆和台湾地区的企业来讲，目前所面临的最大挑战就是怎样绕过国外大公司已有的功率半导体专利以及提高产品的可靠性及稳定性。他建议，这些企业应该加强设计创新，同时更加深入地了解系统应用。另外，他认为RoHS对企业影响不大。“倒是最大待机功耗限定的标准可能会对中国国内企业造成冲击。”他说，“因为这意味着IC低功耗设计技术、电源系统控制技术要求提高，而这正是中国国内企业有待提高的地方。”
“大多数台湾地区和大陆的企业都有生产强而设计弱的问题。”古道雄一针见血地指出，“这与他们主要通过晶圆加工和封装进入IC行业不无干系。可见，目前的问题是要认识到这个问题，同时研究将来同国外同行在竞争中在哪种产品上能够获得优势。我们不能仅仅简单地跟随火爆的市场而希望竞争会自动消失。”
张士滨的意见与古道雄相似。他表示：“大中华地区拥有一级的晶圆代工厂及封装测试厂，但是模拟芯片的研发设计人才相对却比较缺乏。而研发设计人才缺乏的原因为：入门门槛较数字芯片高；模拟芯片的设计需要经验的养成。”
崇贸科技已经认识到这个问题，并积极通过邀请海外资深模拟芯片设计人员和内部分享来促进人才的提高。值得大陆同行借鉴的还有，由于晶圆制程的良率高低对芯片的品质和成本至关重要，该公司又专门设立了制程研发组，通过自己开发制程来排除这一困扰。此外，该公司还设立了系统应用组，在芯片产品开发时就考虑并设计系统参考应用，从而帮助系统厂商特别是对产品上市时间敏感的消费电子系统厂商缩短设计周期，争取最快的上市时间。
“与国外著名设计公司相比，我们目前还没有足够的具有丰富经验的设计人员。”古道雄表示，“但是为了缩短学习周期，我们可以选择简单的、人员需求少的项目来开始。然后随着经验的增加，逐步扩大我们的规模。”
功率模块方面，王士民表示，随着功率半导体的应用领域中电子负载的比例越来越大，功率
半导体工业与集成电路的设计和制造工艺之间的距离正在被不断拉近。“目前主要技术挑战在芯片设计和制造技术、封装技术和与功率控制电路集成技术等。”他说，“为了实现较低的导通压降，工艺已从20年前的微米技术迅速向亚微米甚至深亚微米发展。而为了实现低热阻，减少杂散参数，增加功率密度，功率半导体的封装也从开始向更高集成度发展，如增强型SO-8、MCD封装等。”另外，他还表示，针对特殊的应用领域，功率器件与控制器件的集成也成为功率半导体发展的一个趋势，这需要功率半导体厂商与用户进行协同设计。而这些新的需求都给中国半导体厂商提出了严峻挑战。
现代功率半导体器件封装
技术分类：电源技术 | 2005-02-16
EDN China
人们在讨论半导体时，往往很重视半导体芯片的作用。却较少提到外壳封装的发展。其实，作为一个半导体器件，其芯片必须通过一定的封装才能使它起到应有的作用。对功率半导体器件来说，还有这么几种特殊性：一是由于大量热量的产生，散热的考虑就特别重要。二是芯片常常较大，就必须考虑包装特别是焊接时的应力。三是近年来，由于功率MOSFET 的发展，其芯片内阻已降到非常小。引线焊接及外壳包装的电阻已达到和芯片内阻可比拟的程度，所以降低“不计芯片的包装电阻”（DFPR）就变得十分重要。四是由于大量新型功率器件用于便⒆式或掌上电器，功率器件的包装日益沿用了大规模集成电路的各种最新发展模式，使它们能够配合在相应线路板上的应用。在去年国际功率半导体器件讨论会的十五个专题中，其中就有两个专题是讨论包装问题。这也是从一个侧面说明近年来工业界对这方面十分关注。因而很有必要有一篇专文去讨论它。
功率半导体器件的包装形式可非常粗略地分成下述六种，要仔细分类当
然就不止这些。要全面概括更不是一篇短文可以覆盖的了。
1）大功率器件用的传统的螺栓型或平板型封装
很多读者有丰富的应用传统大功率半导体器件的经验，因而对其外壳包装是相当熟悉的。对大功率半导体器件来说，其主要的封装模式这些年没有很大的变化。如所周知，平板型结构的外壳和管芯是以压接接触的，因而可避免焊接应力。同时平板型的结构可以采用双面散热。而螺栓型外壳和管芯则可以是焊接的，也可以是压接的，或称为内压接式，IR在内压接结构方面特别专长。最近新闻发布的整流元件即属于这种形式。
2）较大功率器件所用的模块
传统的晶闸管模块也有很多人很熟悉。近年来IGBT模块也日益普及。当然，不同的内涵也会有不同形式的模块。例如单个IGBT（常带有反并联二极管），双IGBT，或IGBT 的三相桥等等，其模块结构有一定差异。如果把保护、触发甚至控制电路和IGBT都一起放进模块中去，其形式就更多了。当然，功率小一些，就可以有MOSFET的模块。但最近有个见解是认为对于过小功率的模块可能还是采用分立器件更为便宜。有的桥式电路也可以称为模块。所以模块的范围是十分广泛的。目前又有多芯片模块（MCM）出现，它可以说是包装技术的一个新方向，我将在本文最后作专题叙述。
3）塑封直列式封装
最常见的TO220，TO247这两种封装可能是每个人都熟知的封装形式。这种塑封方式，实际上已可传送很大的电流。过去塑封的晶闸管或双向晶闸管，很少有超过25安培的。但现在IR公司采用Super TO247封装MOSFET，IRFP3703已可达到210安培。所谓Super 式的结构：是取消传统塑封器件顶端的那个螺孔，腾出这部分空间以焊接更大的芯片，IR 所采用的Super 247的包装，其电流容量可达同样包装的两倍。当然为了散热，在取消螺孔后，这些塑封器件是用夹具来使其紧贴线路板或散热器的。从而达到散热的目的。
有时在这些三端的外壳中，可能封了两个元件。例如IR的Co-Pack形式，最常见的是把IGBT和反并联二极管封在一起。
IR公司还有一种称为Fullpak的封装形式，是把整个器件全用塑料包起来，包括顶端的螺孔部分。这是为了绝缘。有时容易把Full的意思理解为应用了全部底板面积，那是不对的。由于Super及Fullpak这两种封装形式几乎同时出现，因而容易发生混淆。
4）塑封表面贴装，以及各种类似于IC的封装
功率器件的表面贴装是八十年代后发展起来的。有的是将原有的直列式包装直接改为表面贴装的，如SMD－220；也有沿用了许多为集成电路发展起来
的各种包装形式。一般分立器件采用两端和三端的包装，但也有用八端的如SO-8或Micro-8等，虽然单个分立器件不需要很多端子，但增加端子可以有利于电流流出并取得更好的散热效果。目前双芯片的封装很多，如上面提到的IGBT Co-Pack 外，IR的FETKY是MOSFET 及肖特基的混合封装，它就采用Micro-8的形式。SO-8 也是常用的包装，所以本文后面所介绍的一些现代封装，常和SO-8作为对比。
集成电路的包装形式开始时多用双列直插封装（DIP），IR公司的微电子继电器目前仍用这种包装。八十年代就进入表面贴装的时代。IR的控制IC大多采用SOIC及PLCC 的包装。
5）高可靠性封装
一般用于航天或军工。为提高可靠性，外壳多采用金属包装。
6）正在发展中的最新封装
把许多最新封装列为同一类恐怕并不合适，因为它们具有不同的形式或是起源于不同的思路或要求。但由于这部分将是本文的重点，所以就归在一类了。
FlipFET
我在多篇文章中已介绍了功率半导体器件的工艺正在向大规模集成电路的制造工艺趋近。这不仅对芯片技术是如此，对外壳包封技术也是如此。其原因可以说是功率器件应用方向上的发展，因为目前已有很大一部分功率器件在为通信、电脑、便⒆式电器服务。因此其包装也需要和相配套的电子电路耦合。所以目前无论是芯片或者外壳包装，大规模集成电路与新一代的功率器件已经有了愈来愈多的共同点。特别是功率器件有个发展趋势是复合化和智能化，这就使它和IC更为接近。因而可以说，这是客户应用的需要，是技术发展提高的必然结果，也是制造厂商为了增加产品附加利润值和保持产品优势的重要措施。
集成电路在九十年代爆发了一种所谓BGA（球栅阵列）技术热。它是超大规模集成电路包装技术上的一个重大发展。BGA结构的引线焊点不再象SOIC或PLCC那样分布在外壳的两侧或四边，而是在器件的下侧排列一片阵列式的焊球结构。它的优点是互连密度高，电热性能优良。IR则是世界上第一次把这种集成电路包装上的概念引入到功率器件上来了。
FlipFET就是这样的一种功率MOSFET，它在芯片工艺上巧妙地把源和漏都做在同一个表面上。同时使器件具有特别强的表面保护能力（或所谓特殊的表面钝化技术）这样就有利于采用BGA方式来包装和焊接器件。使用时，芯片实质上是反转过来焊在印刷线路板上的。所以称为FlipFET。Flip就是反转过来的意思。图一给出FlipFET的外形及有关尺寸，图二给出焊球的布置。IR给出的最初产品其芯片中的原胞密度为每平方英寸1.1亿个，采用沟槽工艺。得到当时认为最低的单位管脚面积下的导通电阻。
因此，FlipFET的芯片和封装的面积比（过去我把它很不严格地称为管脚比）几乎达到了百分之百。即进入了芯片级封装的水平。见图三所示.所谓芯片级封装（Chip Scale）即是指芯片面积和封装面积之比大于80％的封装。
DirectFET
三十多年前当晶闸管出现平板型结构并采用双面散热时，大家都充分感受到它相对于螺栓型单面散热的优越性。其后整流元件及晶闸管愈做愈大，因而人们把这种平板型元件戏称为“大饼”。对“大饼”可以理所当然地进行双面散热这一点也就不足为奇了。
功率半导体器件在我国的发展现状 MOSFET是由P极、N极、G栅极、S源极和D漏级组成。它的导通跟阻断都由电压控制，电流可以双向流过，其优点是开关速度很高，通常在几十纳秒到几百纳秒，开关损耗小，适用于各类开关电源。但它也有缺点，那就是在高压环境下压降很高，随着电压的上升，电阻变大，传导损耗很高。 随着电子电力领域的发展，IGBT出现了。它是由BJT和MOS组成的复合式半导体，兼具二者的优点，都是通过电压驱动进行导通的。IGBT克服了MOS的缺点，拥有高输入阻抗和低导通压降的特点。因此，其广泛应用于开关电源、电车、交流电机等领域。 如今，各个行业的发展几乎电子化，对功率半导体器件的需求越来越大，不过现在功率半导体器件主要由欧美国家和地区提供。我国又是全球需求量最大的国家，自给率仅有10%，严重依赖进口。功率半导体器件的生产制造要求特别严格，需要具备完整的晶圆厂、芯片制造厂、封装厂等产业链环节。国内企业的技术跟资金条件暂时还无法满足。 从市场格局来看，全球功率半导体市场中，海外龙头企业占据主导地位。我国功率半导体器件的生产制造还需要付出很大的努力。制造功率半导体器件有着严格的要求，每一道工序都需要精心控制。最后的成品仍需要经过专业仪器的测试才能上市。这也是为半导体器件生产厂家降低生产成本，提高经济效益的体现。没有经过测试的半导体器件一旦哪方面不及格，则需要重新返工制造，将会增加了企业的生产成本。
深圳威宇佳公司是国内知名的功率半导体检测专家，专门生产制造简便易用、高精度的设备，让操作人员轻松上手操作，省力更省心。如生产的IGBT动态参数测试设备、PIM&单管IGBT 专用动态设备、IGBT静态参数测试设备、功率半导体测试平台等，均是经过经验丰富的技术人员精心打磨出来的，设备高可靠性、高效率，已在市场上应用超过10年，历经了超过500万只模块/DBC的测试考验。
电脑电源功率计算 City power into power after the first passes through the choke coil and capacitance filter high frequency noise and interference signal, then rectified and filtered high voltage DC and then enter the core part of the power supply switch circuit. The switch circuit is mainly responsible for the conversion of DC current into high frequency pulsating DC sending high-frequency switch transformer step-down, then filter the high frequency AC part, so as to get the computer needs more "pure" low voltage DC power. Because the core part of the computer power supply is the switching circuit, the computer power supply is usually called the Supply Power (Switching). Power output Parts of a computer system are used in low voltage DC power, but the specific requirements of different parts of the voltage and current are different, such as speed to meet the requirements of thousands per second RPM hard drive spindle motor and drive control circuit for power supply must not be the same, so the power supply has a corresponding output satisfy the power supply demand of different. As you can see from Figure 1, the power supply of the hard disk is divided into two parts, DC +5V and +12V. As far as the most common ATX power supplies are concerned, there are several kinds of power output: +3.3V: mainly through the motherboard conversion, drive chipset, memory and other circuits.
LED工艺流程图 LED封装 LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而LED封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出：可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于LED。 LED的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结管芯，当注入pn 结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但pn结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高LED的内、外部量子效率。常规Φ5mm型LED封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状，有这样几种作用：保护管芯等不受外界侵蚀；采用不同的形状和材料性质(掺或不掺散色剂)，起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角；管芯折射率与空气折射率相关太大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光损失，选用相应折射率的环氧树脂作过渡，提高管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性，绝缘性，机械强度，对管芯发出光的折射率和透射率高。选择不同折射率的封装材料，封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到LED的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型，其相应视角将增大。 一般情况下，LED的发光波长随温度变化为0．2-0．3nm／℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，当正向电流流经pn结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1℃，LED的发光强度会相应地减少1％左右，封装散热；时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数LED的驱动电流限制在20mA左右。但是，LED的光输出会随电流的增大而增加，目前，很多功率型LED的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，需要改进封装结构，全新的LED封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导热性能好的银胶，增大金属支架的表面积，焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。此外，在应用设计中，PCB线路板等的热设计、导热性能也十分重要。 1、产品封装结构类型 自上世纪九十年代以来，LED芯片及材料制作技术的研发取得多项突破，透明衬底梯形结构、纹理表面结构、芯片倒装结构，商品化的超高亮度(1cd以上)红、橙、黄、绿、蓝的LED产品相继问市，如表1所示，2000年开始在低、中光通量的特殊照明中获得应用。LED的上、中游产业受到前所未有的重视，进一步推动下游的封装技术及产业发展，采用不同封装结构形式与尺寸，不同发光颜色的管芯及其双色、或三色组合方式，可生产出多种系列，品种、规格的产品。 LED产品封装结构的类型如表2所示，也有根据发光颜色、芯片材料、发
微波功率器件及其材料的发展和应用前景 来源：《材料导报》 内容摘要：介绍了微波功率器的发展和前景，对HBT, MESFET 和HEMT微波功率器件材料的特点和选取，以及器件的特性和设计做了分类说明。着重介绍了SiGe合金.InPSiC、GaN等新型微波功率器件材料。并对目前各种器件的最新进展和我国微波功率器件的研制现状及与国外的差距做了概述与展望。 文剑曾健平晏敏 (湖南大学应用物理系，长沙410082) 0 概述 由Ge、Si、Ⅲ-V化合物半导体等材料制成的，工作在微波波段的二极管、晶体管称为微波器件。微波即波长介于1m~1mm之间的电磁波，相应频率在300MHz~300GHz之间。微波半导体器件在微波系统中能发挥各方面性能，归纳起来为微波功率产生及放大、控制、接收3个方面。对微波功率器件要求有尽可能大的输出功率和输出效率及功率增益。进入20世纪90年代后，由于MOCVD(金属有机化学气相淀积)和MBE(分子束外延)技术的发展，以及化合物材料和异质结工艺的日趋成熟，使三端微波器件取得令人瞩目的成就，使得HBT(异质结双极型晶体管)、MESFET(肖特基势垒场效应晶体管)以及HEMT(高电子迁移率晶体管)结构的各种器件性能逐年提高。与此同时，在此基础上构成的MMIC(单片集成电路)已实用化，并进人商品化阶段，使用频率基本覆盖整个微波波段，不仅能获得大功率高效率而且，噪声系数小。随着微波半导体器件工作频率的进一步提高，功率容量的增大，噪声的降低以及效率和可靠性的提高，特别是集成化的实现，将使微波电子系统发生新的变化。表1列出了几种主要的三端微波器件目前的概况。 表1 微波三端器件概况
电功率计算题----100道（有答案） 1) 串联----补充一个条件提出不同的问题 有两个阻值分别为20Ω、30Ω的电阻在电路中，请你任意补充一个条件，提出问题，然后解答。(至少选择两种解。法，但要求每次补充不同条件，提出不同的问题) 2)并联----电路有关的物理量 闭合开关后，用电器R1、R2均能正常工作。已知R1的额定功率为1．5 W，电流表A1的示数为0．5 A，电流表A2的示数为1．5 A。根据以上所给条件，逐一列式计算出与该电路有关的物理量。 3)照明电路----电炉---热量 ?220 V 500 W?的小电炉子接在家庭电路中使用，求：(1)半个小时内它能放出多少焦耳的热量?(2)你还能算出该电炉子的哪些物理量?请任意选择两个计算出来。 4)一盏灯----功率.电流 接在家庭电路上的一盏灯，在10 min内消耗的电能是2.4×104 J.求这盏灯的电功率和通过灯丝的电流. 5)一个小灯泡----额定功率.电阻.电能
一个额定电压为2.5 V的小灯泡，正常发光时通过灯丝的电流为0.2 A，求 （1）小灯泡的额定功率； （2）小灯泡发光时的灯丝电阻； （3）通电1 min小灯泡消耗多少电能？ 6)家庭电路----电能表----电费是 小林家中的电能表5月18日的示数是0165.8,到6月18日时电能表的示数是0231.6,如果他家所在地区的电价是0.49元/度，请你帮他计算出他家这个月的电费是多少？ 7)并联----阻值.电流.发热功率. 电阻R1和R2并联后，接到6V的电源上.若开关闭合后，电流表A1、A的示数分别为0.1 A和0.3 A.求：(1)电阻R1的阻值；(2)通过电阻R2的电流；(3)电阻R1的发热功率？ 8)家庭电路----应购买的灯是哪盏----电阻 某同学家中60W的灯突然烧坏一个，现他到超市购买新的并要求换上。但在超市中发现有以下铭牌的灯：PZ36—60、?220V，60W?、?110V，60W?、你认为他应购买的灯是哪盏？并计算出此灯正常发光时的电阻是多少？ 9)家庭电路----总电流是----灯.冰箱.洗衣机 有?220 V，40 W?的日光灯一盏，?220 V，8 W?的日光灯两盏，?220 V，60 W?的电视机一台，?220 V，130 W?的电冰箱一台，?220 V，350 W?的洗衣机一台.那么如果这些用电器同时使用，电路中的总电流是多大？
新型电力电子器件 电力电子器件（Power Electronic Device）又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率(通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上)电子器件。又称功率电子器件。20世纪50年代，电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。60年代发展起来的晶闸管，因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快，而在电力电子电路中得到广泛应用。70年代初期，已逐步取代了汞弧闸流管。80年代，普通晶闸管的开关电流已达数千安，能承受的正、反向工作电压达数千伏。在此基础上，为适应电力电子技术发展的需要，又开发出门极可关断晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件，以及单极型MOS功率场效应晶体管、双极型功率晶体管、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。 各种电力电子器件均具有导通和阻断两种工作特性。功率二极管是二端(阴极和阳极)器件，其器件电流由伏安特性决定，除了改变加在二端间的电压外，无法控制其阳极电流，故称不可控器件。普通晶闸管是三端器件，其门极信号能控制元件的导通，但不能控制其关断，称半控型器件。可关断晶闸管、功率晶体管等器件，其门极信号既能控制器件的导通，又能控制其关断，称全控型器件。后两类器件控制灵活，电路简单，开关速度快，广泛应用于整流、逆变、斩波电路中，是电动机调速、发电机励磁、感应加热、电镀、电解电源、直接输电等电力电子装置中的核心部件。这些器件构成装置不仅体积小、工作可靠，而且节能效果十分明显(一般可节电10%～40%)。 单个电力电子器件能承受的正、反向电压是一定的，能通过的电流大小也是一定的。因此，由单个电力电子器件组成的电力电子装置容量受到限制。所以，在实用中多用几个电力电子器件串联或并联形成组件，其耐压和通流的能力可以成倍地提高，从而可极大地增加电力电子装置的容量。器件串联时，希望各元件能承受同样的正、反向电压；并联时则希望各元件能分担同样的电流。但由于器件的个异性，串、并联时，各器件并不能完全均匀地分担电压和电流。所以，在电力电子器件串联时，要采取均压措施；在并联时，要采取均流措施。 电力电子器件工作时，会因功率损耗引起器件发热、升温。器件温度过高将缩短寿命，甚至烧毁，这是限制电力电子器件电流、电压容量的主要原因。为此，必须考虑器件的冷却问题。常用冷却方式有自冷式、风冷式、液冷式(包括油冷式、水冷式)和蒸发冷却式等。 1. 超大功率晶闸管 晶闸管（SCR）自问世以来，其功率容量提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产8kV / 4kA的晶闸管。日本现在已投产8kV / 4kA和6kV / 6kA的光触发晶闸管（LTT）。美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，（由于它的高电压、大电流特性，它在HVDC、静止无功补偿（SVC）、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍占有十分重要的地位。预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。 现在，许多生产商可提供额定开关功率36MVA （6kV/ 6kA ）用的高压大电流GTO。传统GTO的典型的关断增量仅为3~5。GTO关断期间的不均匀性引起的"挤流效应"使其在关断期间dv/dt必须限制在500~1kV/μs。为此，人们不得不使用体积大、昂贵的吸收电路。另外它的门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。但是，高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/dt耐量和有可能在内部集成一个反并二极管，这些突出的优点仍使人们对GTO感到兴趣。到目前为止，在高压（VBR>3.3kV）、大功率（0.5~20 MVA）牵引、工业和电力逆变器中应用得最为普遍的是门控功率半导体器件。目前，GTO的最高研究水平为6in、6kV / 6kA以及9kV/10kA。为了满足电力系统对1GVA以上的三相逆变功率电压源的需
电功率的计算 一．知识链接： 1、电功率的计算 （1）定义式:P=___________ （2）计算式：根据t W P = 与电功的公式UIt W =得：UI t UIt t W P === （3）推导式：根据欧姆定律R U I =和电功率的计算式UI P =可以推导出R U R I P 22 ==。 注意：推导公式仅适用于纯电阻电路。 2、串、并联电路中电学公式汇总 3、用电器实际功率的计算思路 思路1： R U P P U R R U P 222实 实额 额 额= ?= ?= 思路2： 额额实实额实额实实实额 额P U U P R U R U P P R U P R U P 22222::???? ??=?=???? ????= =
3、电功率的导出公式 有关电功率的计算： 2 2 W U P UI I R t R ====有关电流的计算: U P P I R U R === 有关电压的计算： P U IR PR I ===有关电阻的计算： 2 U U R I P == 二．自主学习： 1、如图所示电路，电源电压不变，R1的电阻为20Ω。只闭合开关S1时， 电流表的读数为0.3A；S1、S2都闭合时，电流表的读数为0.5A。求： （1）电源电压；（2）S1、S2都闭合时R2的电功率。 2、如图所示电路图，电源电压U=6V且保持不变，闭合开关后，电流表 A1的示数为0.2A，A的示数为0.5A。 求：（1）电阻R1的阻值。（2）电阻R2的电功率。 三．合作探究： 1、某校师生自制了一台电烘箱．电烘箱的电阻丝通过5A的电流时，每分钟可产生6.6×104J 的热量。求: (1)此时电阻丝的电功率；(2)此时电阻丝的电阻；(3)此时电阻丝的工作电压。
2017年功率半导体器件行业分析报告 2017年11月
目录 一、功率半导体器件，电力控制的核心器件 (4) 1、功率半导体器件的作用 (4) 2、功率半导体器件市场分析 (8) 二、下游需求旺盛，功率半导体器件交货期延长 (10) 三、常见的功率半导体器件 (11) 1、MOSFET (11) 2、IGBT (13) 四、国内功率半导体进口替代进行时 (19) 1、捷捷微电：具备晶闸管自主设计和制造能力，进口替代空间大 (19) 2、扬杰科技：积极布局SiC宽禁带功率半导体器件 (21) 3、士兰微：国家大基金入股，8寸线如期试产 (22) 4、华微电子：第六代IGBT产品研发成功 (23)
功率半导体器件可以用来控制电路通断，从而实现电力的整流、逆变、变频等变换。一般将额定电流超过1A 的半导体器件归类为功率半导体器件，这类器件的阻断电压分布在几伏到上万伏。常见的功率半导体器件有金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管芯片（IGBT）及模块等。 半导体功率器件广泛应用于汽车、家电、光伏、风电、轨交等领域，渗透进了人们生活的方方面面。从2016年下半年开始，功率半导体器件行情回暖，需求持续旺盛，但是受限于产能，原厂交货周期开始延长。一般来说MOSFET、整流管和晶闸管的交货周期是8周左右，但现在部分MOSFET、整流管和晶闸管交期已被延长到24至30周。 我国的功率半导体器件的起步虽然较晚，但是市场规模增长迅速。从2011年的1386亿元增长到2016年的2088亿元，年均复合增速达8.53%，已经成为全球最大的功率半导体市场之一。但是我国的功率半导体生产厂商与国际巨头相比还有较大差距。目前全球主要的功率半导体厂商均为英飞凌、德仪、STM、恩智浦等国外企业。国内功率半导体器件需要大量进口，如IGBT 有90%依赖进口，因此进口替代空间巨大。 为推动我国半导体产业的发展，2014年国家成立了千亿规模的国家集成电路产业投资基金（简称“大基金”）。由于从本质上讲，功率半导体器件与集成电路（IC）芯片非常类似，它们都由PN结、双极型晶体管、MOS 结构构成，因此两者的理论基础相同，大多数工艺也相同。因此大基金的设立也有利于功率半导体器件的发展。2016
集成门极换流晶闸管（IGCT） 1.电力电子器件发展 电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“机车’’。现代电力电子技术无论对改造传统-t-业(电力机械、矿冶、交通、化工、轻纺等)，还是对高新技术产业(航天、激光、通信、机器人等)都至关重要，它已迅速发展成为一门独立学科领域。它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门，毫无疑问，它将成为21世纪重要关键技术之一。 电力电子器件是现代电力电子设备的核心。它们以开关阵列的形式应用于电力变流器中，把相同频率或者不同频率的电能进行交流—直流(整流器)，直流一直流(斩波器)，直流一交流(逆变器)和交流一交流(变频器)变换。这种开关模式的电力电子变换在与国民经济发展密切相关的关键科学技术中有着重要的应用。首先，在节能和环保方面，电力电子变换在能源能量转换和能量输配过程中具有很高的效率，如果用很好的电力电子技术去转换，人类至少可节省约1／3的能源，而未来电力能源中的80％要经过电力电子设备的转换。其次，在信息和通信技术中，通过开关模式的电力电子变化可以为计算机与通信设备提供稳定的可靠的电源。此外，在交通运输中，电动汽车和电力机车的都和电力电子变换密切相关。 “一代器件决定一代电力电子技术。’’现代电力电子技术基本上是随着电力电子器件的发展而发展起来的。从1958年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。80年代末期和90年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，标志着传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。以功率器件为核心的现代电力电子装置，在整台装置中通常不超过总价值的20％'-'--30％，但是，它对提高装置的各项技术指标和技术性能，却起着十分重要的作用。因此对电力电子器件进行深入的研究和应用是非常重要的。 现代电力电子器件仍然在向大功率、易驱动和高频化方向发展。另外，电力电子模块化是电力电子向高功率密度发展的重要的一步。本文中提到的IGCT就是一种用于中大型电力电子设备中的新型大功率电力电子器件。它的应用使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃. 1.1 整流管 整流管是电力电子器件中结构最简单、应用最广泛的一种器件。目前主要有普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管三种类型。电力整流管在改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使用效率等方面发挥着非常重要的作用。目前，人们已通过新颖结构的设计和大规模集成电路制作工艺的运用，研制出集PIN整流管和肖特基整流管的优点于一体的具有MPS、SPEED和SSD等结构的新型高压快恢复整流管。它们的通态压降为IV左右，反向恢复时间为PIN 整流管的1/2，反向恢复峰值电流为PIN整流管的1/3。
功率器件知识 功率器件的主要功能是进行电能的处理与变换（比如变压、变流、变频、功放等）。主要应用领域是开关电源、电机驱动与调速、UPS 等等，这些装置都需输出一定的功率给予电器，所以电路中必须使用功率半导体。另一重要应用领域是发电、变电与输电，这就是原本意义上的电力电子。 功率器件的应用领域：消费电子24%，工业控制23.4%，计算机21.8%，网络通信20.5%，汽车电子5.2%。 任何电器设备都需要电源，任何用电机的设备都需要电机驱动。作为目前国际上主流的功率半导体器件，包括VD-MOSFET和IGBT，克服了以前功率半导体器件工业频率低、所需要的配套电感、电容、变压器等体积大、能耗高等缺点，制备工艺使用的设备和工艺线的要求与集成电路基本相同，完全不同于用台面技术和粗放光刻的晶闸管、台面二极管、功率BJT的制造。 全球能源需求的不断增长以及环境保护意识的逐步提升使得高效、节能产品成为市场发展的新趋势。MOSFET等功率器件越来越多地应用到整机产品中。我国用于电机的电能占我国总发电量的60%多。如果全国电机的驱动都采用功率半导体进行变频调速就可以节能大约 1/4 到 1/3，也就是说可节约全国总发电量的15%至20%。功率半导体还是信息产品、计算机、消费电子和汽车这4C产业的基础产品，当前用于4C产业的功率半导体已占功率半导体总量的70%多。
功率器件包括功率IC（半导体元件产品统称）和功率分立器件。 功率分立器件主要包括功率MOSFET、大功率晶体管和IGBT等半导体器件。功率IC和MOSFET的市场份额较大，分别占40.4%和26.0%市场份额，是中国功率半导体市场上最重要两个产品，此外大功率晶体管、达林顿管、IGBT和晶闸管也占有一定市场份额。 功率器件的中国市场结构：电源管理IC 40.4%，MOSFET26.0%，大功率晶体管13.7%，达林顿管5.3%，IGBT4.2%，晶闸管1.8%。 由于下游终端产品很多已向国内转移，其上游的功率器件市场也一直保持较快的发展速度。02-06年中国功率器件市场复合增长率29.4%，未来5年复合增长率19.1%，2011年达1680.4亿元。 国外厂商处于主导地位，国内厂商奋起直追。从功率半导体厂商的类型来看，多数功率芯片厂商是IDM（智能分销管理系统）厂商，Fabless（无生产线的IC设计公司）也占据了一定比例。美国、日本和欧洲功率芯片厂商大部分属于IDM 厂商，而中国台湾厂商则绝大多数属于Fabless厂商。 其中MOSFET在中国目前的市场规模为174.8亿元。MOSFET根据不同的耐压程度，有着不同的应用：耐压20v-应用领域手机、数码相机，30v-计算机主板、显卡，40v-机顶盒和电动自行车，60v-UPS、汽车雨刷、汽车音响、马达控制，80v-LCD TV、LCD 显示器和其他仪器仪表，150-400v-照明、CRT 电视、背投电视、电热水器和洗衣机等，400-800v-发动机启动器、车灯控制、电机控制，嵌入式电源和电源适配器，500-1000v-高压变频器、发电和变电设备。
高功率射频及微波无源器件中的考虑和限制 RF和微波无源元件承受许多设计约束和性能指标的负担。根据应用的功率要求，对材料和设计性能的要求可以显着提高。例如，在高功率电信和军用雷达/干扰应用中，需要高性能水平以及极高功率水平。许多材料和技术无法承受这些应用所需的功率水平，因此必须使用专门的组件，材料和技术来满足这些极端的应用要求。 高水平的射频和微波功率是不可见的，难以检测，并且能够在小范围内产生令人难以置信的热量。通常，只有在组件发生故障或完全系统故障后才能检测到过功率压力。这种情况在电信和航空/国防应用中经常遇到，因为高功率水平的使用和暴露是满足这些应用性能要求所必需的。 图1对于天气或军用雷达，高功率放大器通常会为雷达天线或天线阵列产生数百至数千瓦的 射频能量。 足够高的RF和微波功率水平会损坏信号路径中的元件，这可能是设计不良，材料老化/疲劳甚至是战略性电子攻击的产物。任何可能遇到高功率射频和微波能量的关键系统都必须仔细设计，并通过为最大潜在功率水平指定的组件进行支持。其他问题，例如RF泄漏，无源互调失真和谐波失真，在高功率水平下会加剧，因为必须更多地考虑组件的质量。 任何具有插入损耗的互连或组件都有可能吸收足够的RF和微波能量以造成损坏。这就是所有射频和微波元件具有最大额定功率的原因。通常，由于RF能量
有几种不同的工作模式，因此将为连续波（CW）或脉冲功率指定额定功率。另外，由于构成RF组件的各种材料可以改变不同功率，温度，电压，电流和年龄的行为，因此通常还指定这些参数。与往常一样，一些制造商对其组件的指定功能更加慷慨，因此建议在实际操作条件下测试特定组件以避免现场故障。这是RF和微波组件特别关注的问题，因为级联故障很常见。 图2可以使用磁环或电场探头分接波导，将TE或TM波导模式转换为TEM同轴传输模式。同轴或波导互连 根据频率，功率水平和物理要求，同轴或波导互连用于高功率RF和微波应用。这两种技术的尺寸随频率而变化，需要更高精度的材料和制造来处理更高的功率水平。通常，作为RF能量通过具有空气电介质的波导的方式的产物，波导倾向于能够处理比可比同轴技术更高的功率水平。另一方面，波导通常是比同轴技术更昂贵，定制安装和窄带解决方案。 这就是说，对于需要更低成本，更高灵活性安装，更高信号路由密度和中等功率水平的应用，同轴技术可能是首选。另外，由于降低了成本和尺寸，因此在波导互连上使用同轴互连的组件选择更多。虽然宽带和通常更直接的安装，在高性能，坚固性和可靠性方面，波导技术往往超过同轴。通常，这些互连技术串联使用，在可能的情况下，最高功率和保真度信号通过波导互连路由。
led显示屏电源与功率的计算方法 1、点间距计算方法： 每个像素点到每一个相邻像素点之间的中心距离； 每个像素点可以是一颗LED灯[如：PH10(1R)]、 两颗LED灯[如：PH16(2R)]、三颗led灯[如：PH16(2R1G1B)], P16的点间距为：16MM; P20的点间距为：20MM; P12的点间距为：12MM 2、长度和高度计算方法 点间距×点数=长/高 如：PH16长度=16点×1.6㎝=25.6㎝高度=8点×1.6㎝=12.8㎝PH10长度=32点×1.0㎝=32㎝高度=16点×1.0㎝=16㎝； 3、屏体使用模组数计算方法 总面积÷模组长度÷模组高度=使用模组数 如：10个平方的PH16户外单色led显示屏使用模组数等于：10平方米÷0.256米÷0.128米=305.17678≈305个 更加精确的计算方法：长度使用模组数×高度使用模组数=使用模组总数 如：长5米、高2米的PH16单色led显示屏使用模组数：
长使用模组数=5米÷0.256米=19.53125≈20个 高使用模组数=2米÷0.128米=15.625≈16个 使用模组总数目=20个×16个=320个 4、LED显示屏可视距离的计算方法 RGB颜色混合距离三色混合成为单一颜色的距离： LED全彩屏视距=像素点间距(mm)×500/1000 最小的观看距离能显示平滑图像的距离： LED显示屏可视距离=像素点间距(mm) ×1000/1000 最合适的观看距离观看者能看到高度清晰画面的距离： LED显示屏最佳视距=像素点间距(mm) ×3000/1000 最远的观看距离： LED显示屏最远视距=屏幕高度（米）×30（倍） 5、LED显示屏扫描方式计算方法 扫描方式：在一定的显示区域内，同时点亮的行数与整个区域行数的比例。 室内单双色一般为1/16扫描， 室内全彩一般是1/8 扫描， 室外单双色一般是1/4扫描，
电力电子器件的最新发展趋势 现代的电力电子技术无论对改造传统工业（电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等），还是对新建高技术产业（航天、激光、通信、机器人等）至关重要，从而已迅速发展成为一门独立学科领域。它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门，毫无疑问，它将成为本世纪乃至下世纪重要关键技术之一。近几年西方发达的国家，尽管总体经济的增长速度较慢，电力电子技术仍一直保持着每年百分之十几的高速增长。 从历史上看，每一代新型电力电子器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。以功率器件为核心的现代电力电子装置，在整台装置中通常不超过总价值的20%～30%，但是，它对提高装置的各项技术指标和技术性能，却起着十分重要的作用。 众所周知，一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在截止状态时能承受高电压；在导通状态时，具有大电流和很低的压降；在开关转换时，具有短的开、关时间，能承受高的di/dt和dv/dt，以及具有全控功能。 自从50年代，硅晶闸管问世以后，20多年来，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈的努力，并已取得了使世人瞩目的成就。60年代后期，可关断晶闸管GTO实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到1kHz以上。70年代中期，高功率晶体管和功率MOSFET问世，功率器件实现了场控功能，打开了高频应用的大门。80年代，绝缘栅门控双极型晶体管(IGBT) 问世，它综合了功率MOSFET和双极型功率晶体管两者的功能。它的迅速发展，又激励了人们对综合功率MOSFET和晶闸管两者功能的新型功率器件- MOSFET门控晶闸管的研究。因此，当前功率器件研究工作的重点主要集中在研究现有功率器件的性能改进、MOS门控晶闸管以及采用新型半导体材料制造新型的功率器件等。下面就近几年来上述功率器件的最新发展加以综述。 一、功率晶闸管的最新发展 1．超大功率晶闸管 晶闸管（SCR）自问世以来，其功率容量提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产8kV / 4kA的晶闸管。日本现在已投产8kV / 4kA和6kV / 6kA的光触发晶闸管(LTT)。美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，由于它的高电压、大电流特性，它在HVDC、静止无功补偿（SVC）、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍占有十分重要的地位。预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。 现在，许多生产商可提供额定开关功率36MVA ( 6kV/ 6kA )用的高压大电流GTO。传统GTO的典型的关断增量仅为3～5。GTO关断期间的不均匀性引起的“挤流效应”使其在关断期间dv/dt必须限制在500～1kV/μs。为此，人们不得不使用体积大、昂贵的吸收电路。另外它的门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。但是，高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/dt耐量和有可能在内部集成一个反并二极管，这些突出的优点仍使人们对GTO感到兴趣。到目前为止，在高压（VBR > 3.3kV )、大功率（0.5～20 MVA）牵引、工业和电力逆变器中应用得最为普遍的是门控功率半导体器件。目前，GTO的最高研究水平为6in、6kV / 6kA以及9kV/10kA。为了满足电力系统对1GVA以上的三相逆变功
2020年SiC功率器件市场投资策略调研分析报告
三代半导体材料性能领先 (1) SiC与功率器件加速结合，全球厂商持续入局 (2) SiC与功率器件：从二极管、晶体管到模块 (2) 性能优势显著，功耗与体积改善明显 (3) 全球功率器件龙头维持领先，国产厂商逐步入局 (4) 高功率场景前景巨大，产业春天将至 (7) 定位高功场景，细分市场增长潜力巨大 (7) EV：车型商用逐步开启，增长动力充足 (8) 轨道交通：能效优势显著 (9) 通信：5G产业化孕育巨大空间 (10) 光伏：全生命周期优势明显，降本速度将深度影响初始投资 (11) 系统成本路径推演，经济性可期 (12) 风险因素 (14) 投资建议 (14) 相关公司与重点推荐 (14)
图1：功率半导体载体材料发展 (1) 图2：不同工况测试下MOSFET-SiC和IGBT-Si功耗对比 (2) 图3：不同工况测试下MOSFET-SiC和IGBT-Si效率对比 (2) 图4：SiC混合模块结构原理图 (3) 图5：混合SiC器件和传统Si器件性能对比（一） (3) 图6：混合SiC器件和传统Si器件性能对比（二） (3) 图7：SiC混合模块与IGBT（Si基）模块对比 (4) 图8：SiC功率半导体市场化时间表 (4) 图9：2017年SiC器件市场格局 (6) 图10：SiC功率半导体制备工艺 (6) 图11：SiC功率半导体器件产业链 (7) 图12：从功率和频率角度选取功率半导体器件 (7) 图13：SiC功率半导体的下游应用及增长 (8) 图14：Tesla Model 3 逆变器结构 (8) 图15：使用SiC-PE的列车直流系统中的能源流 (9) 图16：通信电源主要由可控PFC、逆变和整流组成 (10) 图17：2019-2028年中国5G基站集采规模测算（万站） (11) 图18：中国及海外市场当年新增光伏装机规模（MW，左轴）及IGBT采购需求（亿元，右轴） (12) 图19：MOSFET-SiC和IGBT-Si价格对比 (12) 图20：第三代材料功率半导体成本下降曲线 (13) 图21：不同装机电池容量下，MOSFET（SiC）与IGBT（Si基）对应系统成本差额对比 (13) 图22：MOSFET（SiC）不同年成本降幅对应的系统成本差额变化情况($/Arms) (14) 表1：三代功率半导体材料物理特性对比 (1) 表2：全球部分SiC功率半导体厂商概览 (4) 表3：部分海外车型功率半导体价值量测算（美元） (9) 表4：分类别轨道交通功率半导体情况 (9) 表5：企业布局和产品进展情况 (10) 表6：10kW交错升压转换器功率半导体价值量（美元） (11) 表7：中车时代电气盈利预测 (15) 表8：比亚迪（A+H）盈利预测 (16) 表9：楚江新材盈利预测 (17) 表10：天通股份盈利预测 (17) 表11：有研新材盈利预测 (18)
“power semiconductor device”和“power integrated circuit(简写为power IC或PIC)”直译就是功率半导体器件和功率集成电路。 在国际上与该技术领域对应的最权威的学术会议就叫做International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs，即功率半导体器件和功率集成电路国际会议。 “power”这个词可译为动力、能源、功率等，而在中文里这些词的含义不是完全相同的。由于行业的动态发展，“power”的翻译发生了变化。 从上世纪六七十年代至八十年代初，功率半导体器件主要是可控硅整流器(SCR)、巨型晶体管(GTR)和其后的栅关断晶闸管(GTO)等。它们的主要用途是用于高压输电，以及制造将电网的380V或220V交流电变为各种各样直流电的中大型电源和控制电动机运行的电机调速装置等，这些设备几乎都是与电网相关的强电装置。因此，当时我国把这些器件的总称———power semiconductor devices没有直译为功率半导体器件，而是译为电力电子器件，并将应用这些器件的电路技术power electronics没有译为功率电子学，而是译为电力电子技术。与此同时，与这些器件相应的技术学会为中国电工技术学会所属的电力电子分会，而中国电子学会并没有与之相应的分学会；其制造和应用的行业归口也划归到原第一机械工业部和其后的机械部，这些都是顺理成章的。实际上从直译看，国外并无与电力电子相对应的专业名词，即使日本的“电力”与中文的“电力”也是字型相同而含义有别。此外，当时用普通晶体管集成的小型电源电路———功率集成电路，并不归属于电力电子行业，而是和其他集成电路一起归口到原第四机械工业部和后来的电子工业部。 20世纪80年代以后，功率半导体行业发生了翻天覆地的变化。功率半导体器件变为以功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET，常简写为功率MOS)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路(power IC，常简写为PIC)为主。 这一转变的主要原因是，这些器件或集成电路能在比以前高10倍以上的频率下工作，而电路在高频工作时能更节能、节材，能大幅减少设备体积和重量。尤其是集成度很高的单片片上功率系统(power system on a chip，简写PSOC)，它能把传感器件与电路、信号处理电路、接口电路、功率器件和电路等集成在一个硅芯片上，使其具有按照负载要求精密调节输出和按照过热、过压、过流等情况自我进行保护的智能功能，其优越性不言而喻。国际专家把它的发展喻为第二次电子学革命。
摘要：首先从器件性能和成本等方面分析了为何GaN功率器件是未来功率电子应用的首选技术方案，GaN功率器件具有无可比拟的性能优势，通过采用价格低且口径大的Si衬底，有望实现与硅功率器件相当的价格。其次，简要介绍了GaN功率器件的市场和行业发展现状，市场空间很大，除了专注GaN的新进公司外，世界排名靠前的功率半导体企业也纷纷涉足。随后，从材料、器件技术、功率集成技术和可靠性四个方面分别简要介绍了GaN功率器件的技术发展现状。最后，简要列举了部分企业推出GaN功率器件产品的现状。 1 引言 近年来GaN功率器件已经成为了学术界和工业界共同关注和着力研发的热点，特别是Si基GaN功率器件已成为GaN在未来功率电子应用中的首选技术方案，原因如下： 从理论上来讲，与硅类功率器件的性能相比，GaN功率器件的性能具有十分明显的优势。首先，转换效率很高，GaN的禁带宽度是硅的3倍，临界击穿电场是硅10倍，因此，同样额定电压的GaN功率器件的导通电阻比硅器件低1000倍左右，大大降低了开关的导通损耗;其次，工作频率很高，GaN的电子渡越时间比硅低10倍，电子速度比在硅中高2倍以上，反向恢复时间基本可以忽略，因此GaN开关功率器件的工作频率可以比硅器件提升至少20倍，大大减小了电路中储能元件如电容、电感的体积，从而成倍地减小设备体积，减少铜等贵重原材料消耗，开关频率高还能减少开关损耗，进一步降低电源总的能耗;第三，工作温度很高，GaN的禁带宽度高达3.4eV，本征电子浓度极低，电子很难被激发，因此理论上GaN器件可以工作在800℃以上的高温。 除了上述的GaN功率器件本身的性能优势外，还有如下原因：首先，Si的价格低，具有明显的价格优势;其次，通过外延技术可在更大尺寸的Si 衬底上得到GaN外延片，为GaN 功率器件的产业化与商业化提供了更大的成本优势;第三，大尺寸的GaN-on-Si晶圆可使用已有的成熟的Si 工艺技术和设备，实现大批量的低成本的GaN器件制造;最后，Si基GaN 器件可与Si基的光电器件和数控电路等集成，利于形成直接面对终端应用的功能性模块。 2 市场和行业发展现状 据YoleDeveloppement的报告“Power GaN 2012” [1]，GaN功率器件有巨大的市场空间，2011年半导体功率器件市场空间约为177亿，预计到2020年该市场空间会增加8.1%，达到357亿。应用GaN功率器件的电源市场可能在2014年启动，然后迎来一个高速发展期，到2020年，不含国防预算有望实现20亿美元的销售。 目前，50%功率器件的生产线是6英寸的，很多工厂正在转投8英寸生产线，2011年Infineon成为第一家引进12英寸生产线的工厂。GaN功率器件也进入了发展期，除了专注GaN的新进公司(如：EPC、Transphorm和Micro GaN等)外，世界排名靠前的功率半导体企业也纷纷介入GaN功率器件，有曾做硅的企业如IR、Furukawa、Toshiba和Sanken等，有曾做化合物半导体的企业如Infineon、RFMD、Fujitsu和NXP等，有做LED和功率器件的企业如Panasonic、Sumsung、LG和Sharp等。对于GaN功率器件供应商，IDM已成主流业态，如IR、Panasonic、Sanken和Transphorm等均是IDM企业。目前，对GaN功率器件企业的投资额还在不断增长，2012年7月AZZURRO融资了260万欧元发展8寸GaN-on-Si 外延片，同年10月Transphorm又筹集了3500万美元发展GaN功率器件，今年5月UK政府资助NXP 200万英镑在Hazel Grove发展GaN功率器件。