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专注材料创新 被动元件亦可大放光彩
来源:中电网 作者:胥京宇 2014/11/28 10:14:06 人气:347
内容导读:
2014年中秋假期,我和几个媒体同行一起共赴日本,采访东芝、TDK和尼吉康三家日本公司。这三家公司向我们介绍的重点主要围绕被动和分立元器件产品技术。一直以来,我们都不太重视这些小的被动和分立器件,认为它们既然不是系统的核心器件,所以也不会涉及多么高深的技术

2014年中秋假期,我和几个媒体同行一起共赴日本,采访东芝、TDK和尼吉康三家日本公司。这三家公司向我们介绍的重点主要围绕被动和分立元器件产品技术。一直以来,我们都不太重视这些小的被动和分立器件,认为它们既然不是系统的核心器件,所以也不会涉及多么高深的技术。然而本次采访之旅让我收获颇丰,我强烈感受到,这些容易被忽视的器件,却是半导体系统的基础,而制造这些器件的材料则是基础的基础。多年以来,这些日本企业专注于半导体材料的研发和创新,让被动元件焕发无限神采,除了支撑系统基础功能,更被创新地应用于目前最热门的电子产品和一些具有未来理念的概念性应用中,让人眼界大开。

而这些日本企业对于环保的关注和重视,以及对周边人文环境的关怀也让人印象深刻。他们不仅将环保措施贯穿于整个生产过程,更积极参与社区和城市的各种活动,让企业如同一个市民紧密融入整个地区的人文环境中,为这个地区的建设积极贡献力量。

东芝加贺工厂:从研发到制造一条龙服务

采访的第一站是位于日本西南部石川县能美市的东芝半导体公司的加贺工厂。加贺工厂被优美宁静的田园风光所环绕着。东芝电子(中国)有限公司董事长兼总经理田中基仁先生特别从上海赶来出席采访会议,此外还有来自加贺工厂的社长藤原隆先生以及东芝东京总部的相关负责人。

东芝的存储器产品具有很高的知名度,分立器件市场占有率居世界第一,光耦产品市场份额也居世界第一位。白光LED产品作为重点产品刚开始量产。东芝分立器件包括四大类重点产品:光耦、小信号器件、功率器件和白光LED。其中光耦和白光LED产品又是加贺工厂重点生产的产品,东芝分立器件80%的前道工序在加贺工厂完成。加贺工厂具有从产品研发、策划、设计到制造,从晶片到成品的一条龙全方位服务能力。

图1:东芝加贺工厂用在8英寸硅片上生长GaN(氮化镓)技术生产白光LED。

在8英寸硅片上生长GaN(氮化镓)技术是东芝加贺工厂的核心技术之一。加贺工厂用此技术生产白光LED。GaN是一种新型的半导体材料,它有很好的半导体特性,适合高开关速率的器件,非常适合用于制造白光LED。在8英寸的硅片上生长GaN材料相比传统2/4英寸蓝宝石基底成本更低(降低30%左右)、产量高、而且可提供的产品线也更加丰富。SiC(碳化硅)是另外一种新型半导体材料,相比GaN,它更适用于高功率器件。东芝公司的另一工厂-姬路工厂主要负责生产基于SiC材料的器件。

在高电压超结开关MOS管的生产中,东芝在它的DTMOS IV系列产品上采用了独特的单层外延(Epi)制造工艺,由于采用单层外延构造,可实现FET的细微化,而且在纵向上控制了不纯物浓度,从而实现了高压和低导通电阻的并存。与多层外延相比,能够在低成本条件下实现更高的性能。传统的制造方法是采用多层外延技术。由于制造工艺的难度很大,如今采用单层外延构造的生产厂家几乎没有,为了使用更先进工艺生产更高性能的产品,东芝正在积极地进行单层外延构造方面的开发。

图2:在高电压超结开关MOS管的生产中,东芝在它的DTMOS IV系列产品上采用了独特的单层外延(Epi)制造工艺。

加贺工厂建设有三个洁净室:KCR-I、KCR-II和KCR-III,分别代表越来越高的洁净度。KCR-III的洁净度最高,技术人员介绍,整个洁净室房间里的洁净度为C-10000,即每立方米空气粒子中直径为0.1μm的尘粒在10000个,而在设备制造的空间里洁净度为C-10,每立方米空气粒子中直径为0.1μm的尘粒仅10个。如此高洁净度的洁净室主要是用于生产基于8英寸硅片上GaN的白光LED以及硅材料功率器件,而KCR-I和KCR-II主要用于生产基于5和6英寸硅片的小信号器件和光耦产品。

整个工厂的生产管理可说是极为严格和自动化。生产管理包括品质管理和时间管理。整个生产管理是通过一个CIM(计算机集成制造)系统进行,在生产管理方面,根据客户要求推算出前道工序要求的时间和时间分配;在品质管理方面,出厂前进行重要规格参数的检测和相关数据搜集分析,一旦出现坏的情况可自动调整处理。工人通过一台特制的PDA设备即可全面监控和管理生产流程。在生产过程中最大的风险来自雷电的干扰。为应对此风险,工厂配备了一套MPC-多功能能交换装置,可以很好地应对雷电带来的瞬时电压突降的情况,保证产品的正常生产。工厂还建设了药水集中供给系统,很好地降低了成本,减少了环境污染。

技术人员还介绍,目前在KCR-III里基于8寸硅片生产白光LED前道工序的产能为5000片/月。工厂的目标是在2016年达到25000片/月。

展望分立器件未来发展的市场潜力,田中先生表示非常看好功率器件和LED产品。汽车、白光LED照明和工业应用市场将是发展潜力巨大的市场。2015年全球白光LED市场规模可达一万亿日元,而中国大陆市场潜力很大。

TDK研发总部:“磁性”是DNA,创新是座右铭

采访的第二站是位于东京旁的TDK公司研发总部。一看到TDK公司的LOGO,很多人会想起上学时学英语的磁带上面常出现这个LOGO,喜欢看体育比赛的人会想起世界田径锦标赛上运动员的衣服上也常出现这个LOGO,那是因为TDK自1983年开始成为世界田径锦标赛的官方赞助商。除此之外,大部分人对TDK了解就不多了。

TDK公司的名字是有其具体含义的,其中T代表东京,D代表电子,K代表化学。1930年,东京工业大学电化学专业的加藤与五郎博士和武井武博士发明了铁氧体材料。1935年,斋藤宪三先生成立了TDK公司,发展以铁氧体材料为基础的电子元件产品。源于东京工业大学与TDK的“铁氧体发明及其工业化”于2009年被IEEE认定为对社会与产业的发展都做出巨大贡献并具有历史意义的里程碑式的研究开发。这是全球第89项、日本第10项获此殊荣的企业。可以说,从创业之初直至现在,TDK一直基于铁氧体这种材料的基础上进行产品的研发和生产,这种DNA一直未变,而以材料为起点,集多种创意设计于一身,从材料入手思考问题、制造产品的这种创造和创新的座右铭也一直秉承至今。

图3:TDK技术总部总经理、高级副总裁松冈薰博士和技术与知识产权战略总经理崔京九博士接受了采访。摄影于2014年9月9日

从1935年创立到1994年的60年间,TDK曾创造出了让世界瞩目、改变人们生活的四大发明:以铁氧体为原点的材料技术、大幅改变音乐生活的磁带技术、推动电子设备小型化的精积层科技和可实现令人惊叹的高记录密度的磁头技术。而当时间来到了2014年,在这个瞬息万变的时代,在智能手机、移动互联网和电子商务主导一切的时代,很多企业掉队了,曾经的辉煌湮灭了。而TDK这个具有悠久历史的公司却依然保持着旺盛的创造力和勃勃生机,一方面在原有的产品和技术方面继续提高和创新,一方面不断发掘崭新的应用,将成熟的技术应用到崭新的应用中,实现令人惊艳的应用体验,第三方面则是研究探索一些全新的材料技术及其应用,为改变人类社会生活找到更多突破。

硬盘驱动器所需的纳米薄膜磁头技术,是TDK具有世界水平的成熟技术。采用多层堆积和纳米级的处理工艺,使磁头可实现精细的记录。随着人们对磁盘容量和密度的需求迅速扩大,必须提高磁头的记录强度。TDK基于独家技术将近场光发光元件组装于记录磁头上,实现了对超微领域的记录。TDK将磁性自旋电子技术和光电技术融合,在世界上率先开发出搭载激光光源的记录磁头,能够将硬盘系统的变更控制在最小限度,实现从以往记录方式到热辅助记录方式的转变。这种热辅助磁记录的密度可实现超过1Tb/in2的要求。

基板内置用薄膜电容器(TFCP)主要用于IC的去耦、板载电源的稳定化。在超级计算机上必须使用高频电容,因为普通电容会产生比较高的噪声和阻抗。因此,TFCP适合高速通信、高速计算以及4K/8K高清电视和游戏机等应用领域。TDK的真空镀膜技术是通过溅射方式在镍箔基板上形成薄膜、然后进行高温烧结,从而提高了结晶性,使薄膜的相对介电常数达到1000左右,由此实现了1μF/cm2的容量。此外,TDK的TFCP产品还可实现从芯片型单片到整张薄片的任意形状以及图形化电极,镍箔基板可做得很薄(50μm)并具有挠性。TDK技术总部的技术本部长(相当于公司CTO)松冈薰先生告诉我们,TFCP所用到的真空镀膜技术难度非常大,TDK用了10年时间进行该产品技术的研发,用了3年时间将产品成品率从20%提高到90%。我非常钦佩TDK公司这种锲而不舍的创新精神,这在目前这个急功近利的时代太宝贵了。

当非接触供电技术展现在眼前时,我们所有人不禁眼前一亮。如此具有未来概念,符合环保理念的应用竟然也是通过铁氧体材料实现的!将铁氧体材料线圈分别嵌入到被充电设备和充电设备上,利用线圈之间的电磁感应进行方便快捷环保的充电。这种线圈可以与便携设备的充电结合起来,用于便携设备如笔记本电脑、平板电脑和手机。而当它应用到汽车上时,我们所梦寐以求的全方位、立体供电模式就成为了现实。在汽车车身和地面上分别安装铁氧体线圈,汽车就可以在停车场自动充电;线圈铺在高速公路上,汽车行驶时就可充电;汽车停在家中,还可以给家里的电子设备供电,从而实现全方位立体式的双向供电。在TDK技术总部的技术展示室,技术人员给我们演示了汽车立体充电的模型。通过高频充电可以保证充电的速度很快。目前它的供电效率为90%,经过改进可提高到95%。这种充电模式与锂电池汽车模式共存,使使用更加方便。TDK一直在努力降低系统成本。尽管它还处在概念阶段,我相信随着创新的继续,这项技术会进入人们的生活中成为不可分割的一部分。

图4:使用铁氧体线圈实现非接触供电技术让未来的立体供电成为现实。

TDK的位置传感器产品是具备优秀耐环境性、能够检测距离及角度的传感器,它能够对检测对象物质的移动距离以及角度进行检测。它能够检测磁场方向,并能够精确测定检测对象物质的位置。由于采用磁性材料,它不会受到环境灰尘的影响,磁路和电路混合使之有记忆功能。它能够精确测定几十毫米范围,在水中、油中、噪音环境下亦可使用。具体的应用包括汽车的挂档及齿轮位置的感应等。

TDK的透明导电薄膜FLECLEAR是世界最高级别的透明导电薄膜,可实现15μm/100sqΩ的超低阻抗。它整合了从TDK的磁带开始的薄膜制造技术以及在光盘和半导体制造中积累的溅射镀膜技术,十分清晰、透明,是应用于触屏设备包括手机、平板电脑等的理想的薄膜材料。技术人员告诉我们,这种非常先进的薄膜是TDK刚刚开发出来的最前沿技术,目前还没有上市,但预计其市场竞争力是巨大的。

尼吉康:森林公园里的电容器工厂

当汽车向尼吉康公司位于富田和大野的两个工厂驶近时,我们一度以为进入了一个森林公园。清澈的小河在脚下蜿蜒流过,岸边是浓密青翠的山林,沿着山路盘旋而上,清新的空气几乎让我们忘了是来采访两个制造电容器的工厂。

尼吉康制箔富田工厂和大野工厂分别位于一条马路的两侧,周边被绿地和山林所环绕。富田工厂是制造铝电解电容器的材料——铝箔的化成部分的工厂,而大野工厂是生产电容器的工厂。铝电解电容器的制造流程是这样的:从原箔厂商购买到铝原箔以后,先在尼吉康制箔大町工厂进行腐蚀,通过铝原箔的粗面化,扩大表面积。生产出的阴极箔出厂后供给尼吉康位于日本、中国、马来西亚以及其他地区的各个电容器制造厂;生产出的阳极箔交给尼吉康制箔富田工厂进行氧化处理,通过腐蚀箔的化成,生成氧化皮膜,化成后的铝箔交给上面提到了位于全世界各地的制造工厂生产为电容器成品。

图5:尼吉康制箔富田工厂车间一景。

走入富田工厂车间,高大的设备整齐而密集地排列着,几乎看不到什么操作工人。一辆唱着歌儿的自动搬运车从我们身边轻快地驶过,我们都辅以微笑。富田工厂总经理関弘治先生介绍,整个工厂自动化程度非常高,从箔的化成、卷带、搬运、装卸全部是自动化完成,工厂旁边的一间大的控制室里有一些技术人员,他们面前有几台工业电脑和控制台,整个厂房里的设备全部由这个中央控制台进行管理和控制,还包括产品的特性测试。而在成品箔仓库里,一个大型机器人正在往好几米高的货架上装卸货品。

富田工厂的产能可达到100万平方米/月。更值得称道的是工厂的节能和环保举措。生产电容器本身对水的质量和数量要求很高,这就是为什么这两家工厂都位于山青水秀的地方。生产产生的废水的处理问题非常关键。富田工厂采用了严密的环保措施,通过完善的设备去除排水里面全部化学药品,同时采用生物除染技术,使得最终排出的水比原来的河水还干净。

大野工厂是尼吉康生产电容器的主力厂,它包括了从电容器的设计、研发到生产的完整能力。从制箔工厂拿到成品箔后,在这里经过切割、组装、老化、加工,最后以成品出厂。大野工厂一大优势就是它作为技术中心工厂承接关联工厂的研发任务。从素材(电极/电解液)开始开发,统括所有技术开发部门,提高产品开发速度,同时还引进了统一管理整体组装厂的技术/品管的总厂制度,这样就可以确保提供高品质的产品,可满足车载要求的品质。一方面采用省力的自动化标准化生产线,另一方面也能根据客户交货期需求和引线需求生产定制型产品。大野工厂产品良率可达到97%。

图6:我们的媒体队伍参观尼吉康大野工厂车间。

尼吉康所生产的铝电解电容器的特点主要体现在:高超的腐蚀技术可以充分扩大电极箔实效表面积,从而实现了小型化;世界先进的电解质皮膜技术可实现耐电压1,000Vup,非晶质(Amorphous)皮膜技术,可形成耐电压变动的电解质皮膜;先进的电解液技术,凭借设计和采用最新电解质凭借设计和采用最新电解质,实现了高耐热品和高耐电压品;丰富的产品系列,从高度4.5mmL的芯片型到250mmL的螺栓端子型,备齐了尺寸、电压、温度范围等广泛范围的产品阵容,提供符合用户需求的各种电容器;高耐电压化技术凭借导电性高分子形成方法、构件构成及素子设计的优化,实现了行业最高的额定电压125V;高可靠性化技术可充分激活导电性高分子的特性,使产品在广泛的温度内保持稳定可靠;丰富的产品阵容,拥有尼吉康品牌和FPCAP品牌,通过开展芯片型品和引线型品的系列产品,满足用户多样化的需求。

白色家电和工业用变频设备、汽车及车辆相关设备、能源/环境/医疗设备、信息通信设备是尼吉康铝电解电容器四大重点应用市场。每个市场的需求各不相同,面对这些需求,尼吉康的铝电解电容器的研发方向将集中在小型化、高容量、长寿命、抗电压性、防高温高湿度等方面,同时在材料上继续改进。

执着于材料技术的研发和创新,严谨而扎实,让被动器件也成为创新的生力军,他们带来的突破可能更革命,更彻底!

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