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碳化硅為轉型打造“利器”

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碳化硅為轉型打造“利器”

發布日期:2016-02-17 00:00 來源:http://www.zhsoo.cn 點擊:

“銷往海內外的食品,能不能擁有更多名優商標和自主品牌;堆積如山的紙張,能不能轉化為高檔印刷品和精美包裝;鋪天蓋地的布料,能不能變為服裝、內飾和工藝品;多種多樣的金屬,能不能加工成各種特殊用材和金屬制品;遍布各地的化工企業,能不能有一些轉向生產精細產品;規模極大的建材工業,能不能提供更多的優質地板、高級陶瓷和衛生潔具;產量高達200萬輛的汽車工業,能不能提高中高檔乘用車的比例?!?/p>

2014年1月17日,山東省第十二屆人民代表大會第三次會議上,在談到產業結構調整升級時,山東省省委副書記、省長郭樹清用了七個“能不能”的疑問表達了對傳統工業升級的希望。

當下,對產業結構偏重的山東來說,經濟轉型頗為迫切:傳統產業占到65%以上,制造業多數處于中低端,能源原材料產業、初加工工業所占比重偏高。能耗高、污染重、附加值低、產業鏈短已嚴重制約山東經濟競爭力的提升,而七個“能不能”無疑是山東轉型迫切需要解決的難題。

創新轉型,如何轉?誰能擔當重任?破解這個時代賦予的命題是回答“省長之問”的關鍵。

起身于戰略性新興產業,碳化硅半導體產業既可以在傳統的電力、鋼鐵、石油等諸多領域施展拳腳,又可在戰略性產業如航空航天、半導體照明、電子產品等領域大顯身手。眼下,風生水起的碳化硅科研正在產業化的道路上,為經濟轉型打造“利器”。

第一部分、碳化硅能改變什么?

一片厚度不足0.5毫米的碳化硅晶片襯底,能改變什么?

“你們已經取得了驚人的成就,正在引領一場清潔能源的革命?!边@是2011年美國總統奧巴馬在科銳公司演講時重點提到的一句話。作為碳化硅半導體全球研發的領先者,科銳的產品在電力電子、光電子等領域都已經廣泛應用,不論是新能源汽車還是智能電網,這個國家最尖端的關鍵設備上都有碳化硅的影子。這是三年之內,奧巴馬兩次到訪該公司,表明他對碳化硅的重視的原因。這也是美國用十幾年持續不斷的扶持,將科銳打造成碳化硅行業世界第一企業的原因。

碳化硅是什么?它如何引領一場清潔能源的革命?

從刀耕火種的原始社會到以知識經濟為特征的信息時代,材料無疑是推動人類進步的“一條腿”。

上世紀,第一代半導體材料硅(Si)點燃了信息產業發展的“星星之火”,而硅材料芯片也成就了“美國硅谷”高科技產業群,促使蘋果、英特爾、谷歌等世界半導體巨頭的誕生。毫不夸張的說,沒有硅(Si)便沒有強大的美國工業。

95%以上的半導體器件和99%以上的集成電路都是由硅(Si)材料制作。但近百年的洗禮,曾經的工業“中流砥柱”硅材料逐漸無法滿足高溫、高壓、抗輻射等方面要求,而碳化硅半導體材料便是繼硅(Si)、砷化鎵(GaAs)之后最為成熟的第三代半導體材料。

作為一種寬禁帶半導體材料,碳化硅半導體不但擊穿電場強度高、熱穩定性好,還具有載流子飽和漂移速度高、熱導率高等特點,可以用來制造各種耐高溫的高頻、高效大功率器件,應用于硅器件難以勝任的場合。第三代半導體材料--碳化硅單晶材料廣泛應用于電力電子器件、光電子器件等領域,在寬帶通訊、太陽能、汽車制造、半導體照明、智能電網等眾多戰略行業可以實現50%以上的節能效果,可以使裝備體積減小75%!

這只是碳化硅半導體神奇作用的“冰山一角”?!叭f能”的碳化硅似乎可以在更廣泛的領域施展拳腳,比如在國計、民生兩大領域都可以“擔當大任”。

第二部分、引發像蒸汽機一樣的產業革命

“蒸汽機的歷史意義,無論怎樣夸大也不為過?!盠.S.斯塔夫里阿諾斯在《全球通史》里斷言。

在瓦特改進蒸汽機之前,整個生產所需動力依靠人力和畜力。伴隨蒸汽機的發明和改進,工廠不再依河或溪流而建,很多以前依賴人力與手工完成的工作自蒸汽機發明后被機械化生產取代。工業革命是一般政治革命不可比擬的巨大變革,其影響涉及人類社會生活的各個方面,使人類社會發生了巨大的變革,對人類的現代化進程推動起到不可替代的作用,把人類推向了嶄新的蒸汽時代。

以碳化硅等為代表的第三代半導體材料,以其優異的半導體性能在各個現代工業領域都將發揮重要革新作用,應用前景和市場潛力巨大。而且我們已經看到,隨著碳化硅生產成本的降低,碳化硅半導體正在憑借其優良的性能逐步取代硅(Si)半導體,打破硅基由于材料本身性能的所遇到瓶頸,無疑,它將引發一場類似于蒸汽機一樣的產業革命!

片段一:一顆驅動綠色經濟的“小心臟”

一個小小的半導體碳化硅功率器件能夠改變什么?

它能使石化系統實現節能46%,冶金系統節能42%,城市供排水系統節能45%,化工系統節能24%。

我國目前風機、水泵、壓縮機系統總裝機容量約1.6億千瓦,年耗電近5000億千瓦時,如果改變調節方式,可實現節能10%-15%,約為500億-700億千瓦時,如此驚人的數字也都歸功于半導體碳化硅功率器件。在5千伏以上的高壓應用領域,半導體碳化硅功率器件在開關損耗與浪涌電壓上均有應用,開關損耗最大可降低92%。半導體碳化硅功率器件功耗降低效果明顯,設備的發熱量大幅減少,使得設備的冷卻機構進一步簡化,進而大幅度降低電機的體積和重量。同時,隨著電機冷卻機構簡化,制作散熱器所用金屬材料也相對減少,這也將有效緩解銅、鐵及石油等多種資源供求不平的嚴峻形勢。

未來,半導體碳化硅材料制作成的功率器件將支撐起當今節能技術的發展趨向,成為節能設備最核心的部件,因此半導體碳化硅功率器件也被業界譽為功率變流裝置的“CPU”、綠色經濟的“核芯”。

片段二:一輛跑得更快的新能源汽車

新能源汽車產業要求逆變器(即馬達驅動)的半導體功率模塊,在處理高強度電流時,具有遠超出普通工業用途逆變器的可靠性;在大電流功率模塊中,具有更好的散熱性,高效、快速、耐高溫、可靠性高的半導體碳化硅模塊完全符合新能源汽車要求。

半導體碳化硅功率模塊小型化的特點可大幅削減新能源汽車的電力損失,使其在200攝氏度高溫下仍能正常工作,熱容進一步減少。更輕、更小的設備更使新能源汽車的載重壓力變小,進一步減小能量耗費,促進節能環保。

目前,德國英飛凌公司針對純電動和插電式混合動力車,研制出的半導體碳化硅功率模塊,將功率范圍控制在20-80千瓦;采用溝槽柵和場截止層等國際最先進技術,降低飽和電壓,維持開關速度,減小芯片厚度,增大功率密度。另外,通過改進模塊內部的焊線工藝,將結溫提高到150攝氏度或175攝氏度,增加了功率循環次數,提高了可靠性,大大降低了能耗。

實際上,半導體碳化硅材料除了在新能源汽車節能中占有重要地位外,在高鐵、太陽能、風能、電力輸送、UPS不間斷電源等電力電子領域均起到了卓越的節能環保作用。

片段三:一種壽命更長,更加節能環保的LED照明從20世紀60年代初第一只LED誕生以來,LED經過40多年的努力,已經實現了紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七彩色LED的生產和應用。特別是1994年高亮度藍光LED的誕生,拉開了半導體照明燈(白光LED)逐步替代現有的白熾燈、日光燈作通用照明光源的序幕,引發照明工業的又一場革命。


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