一、家电用SOI功率芯片产业发展现状

 

（一）产业公司及其产品

 

凭借耐高温、抗电磁干扰、低功耗、高集成等优越性能，SOI功率芯片适合用于空调、冰箱、洗衣机等家电的电机驱动芯片中。目前市面上只有Toshiba和Infineon两家公司能够提供基于SOI技术的电机驱动芯片解决方案。

 

Toshiba利用SOI技术研制的500V/1A第一代智能功率芯片（IPD）产品TPD4142K于2005年开始批量生产。2017年，Toshiba又推出了两款第二代IPD产品TPD4204F和TPD4206F。新一代产品的额定电流提高到2.5A，芯片面积减小了一半。Toshiba的IPD产品主要用于空调（图1）、空气净化器等家电的风扇电机中。

 

图1 Toshiba的IPD产品可用于家用空调室内和室外机的风扇电机驱动中（红框）

 

Toshiba的IPD产品实现了逆变器在SOI衬底上的单片集成，集成度较高，其第二代IPD采用“SOP30”封装后的面积仅为20.0mm x 14.2mm。但是，集成在SOI上LIGBT是横向器件，其输出电流较小，因此不能满足大电流或者高功率的应用需求。

 

与Toshiba相比，Infineon推出的CIPOSTM智能功率模块（IPM）采用的电机驱动芯片解决方案在集成度和功率容量方面做了平衡（表1）。Infineon的逆变器中三相逆变结构体硅IGBT和SOI栅极驱动芯片（EiceDRIVER™）是独立芯片，通过后道封装工艺集成在一起（图2）。

 

这种电路结构能够充分发挥SOI抗干扰能力和体硅IGBT大功率的优势，大大提升了该电机驱动芯片在更大电流、更高功率的应用能力，例如在家用空调中，Infineon的EiceDRIVER™除了可以用于风扇电机驱动芯片，也可以用于输出电流更大（＞4A）的压缩机电机驱动芯片。当前，Infineon依托2ED和6ED两个EiceDRIVER™栅极驱动芯片系列产品，开发出超过500种解决方案，能够满足空调、冰箱、洗衣机、抽油烟机、风扇、吸尘器等家电电机驱动芯片的需求。
 

 

 表1 Toshiba和Infineon的电机驱动芯片解决方案比较

 

图2 Infineon的电机驱动芯片内部电路图，其中SOI栅极驱动电路（红框）和三相逆变结构（绿框）是独立的芯片。

 

（二）工艺加工平台

 

制备SOI功率器件及集成电路通常采用SOI BCD工艺。目前，全球有十几家公司具备SOI BCD工艺加工能力（表2）。由于以白色家电为代表的家电中的电机驱动芯片的耐压能力要求在600V及以上，因此在众多工艺平台中，只有NXP、Toshiba和Infineon能够满足高压器件加工需求，另外，这三家公司的SOI BCD工艺平台的工艺节点最为先进。其中NXP的EZ-HV工艺平台主要用于生产一体化节能灯专用驱动芯片，Toshiba和Infineon的SOI BCD平台则拥有成熟的家电电机驱动专用芯片的生产制造和设计服务能力。但就目前来看，Toshiba和Infineon在该领域并不对外提供代工服务，而是采用IDM的方式提供一整套电机驱动芯片解决方案。

 

表2 全球知名厂商的SOI BCD工艺（技术平台没有单独命名的统称为SOI-BCD）

 

二、我国发展家电用SOI功率芯片面临的机遇和挑战 

 

（一）机遇：我国家电用SOI功率芯片市场规模巨大

 

目前我国大陆已是全球最大的白色家电生产基地，约占全球白色家电产能的60%—70%，其中空调约占全球80%的产能，冰箱和洗衣机约占50%左右。如图3所示，从2013年起，我国白色家电的年产量突破3亿台。近几年来，尽管白色家电刚需基本达到饱和，产量趋于稳定，但是产品结构有所转化，由传统的低端产品逐渐向中高端产品转化，白色家电行业消费升级趋势明显。白色家电，尤其是智能白色家电低功耗化、静音化和低震动化的发展趋势将带动SOI功率芯片和模块的需求增长。本文以我国空调、冰箱、洗衣机为代表的白色家电的产量为基础数据，以Infineon的EiceDRIVER™ SOI栅极驱动芯片芯片为代表产品，估算我国家电用SOI功率芯片的市场规模。假定一台空调中需要3颗SOI栅极驱动芯片，一台冰箱和一台洗衣机中各需要1颗SOI栅极驱动芯片，推算出的SOI功率芯片需求量如图4所示。粗略估计，2017年仅我国白色家电对SOI功率芯片的需求量就高达7亿颗。如果再加上空气净化器、抽油烟机、吸尘器等多种家电，SOI功率芯片的需求量将突破10亿颗。按照Infineon的定价，每颗SOI功率芯片的价格在1.24~3.24美元，推测SOI功率芯片的市场规模在10~30亿美元之间。

 

图3 2010-2107年我国冰空洗产量统计（中商产业研究院）

 

图4 2010-2017年我国家电用SOI功率芯片需求量估算

 

（二）挑战：我国家电用SOI功率芯片生产制造能力薄弱

 

家电用SOI功率芯片是一种定制化的专用芯片，其电路设计和制造复杂，常常依赖于技术研发工程师的经验，因此技术门槛较高。家电用SOI功率芯片供应商Toshiba和Infineon采用的是IDM经营模式，它们依托自家的SOI BCD加工平台开展研发和生产，成功地规避了专用芯片开发的风险，形成了垄断优势。对比来看，我国家电用SOI功率芯片生产制造能力十分薄弱，缺乏SOI BCD加工平台。目前我国仅有华润上华能够提供200V SOI BCD代工服务，但华润上华尚不具备家电用SOI功率芯片的制造能力。开发这种新型高压专用芯片需要花费大量的资源和时间，且开发出的产品市场前景存在不确定性，因此，以华润上华为代表的代工厂研发定制化工艺的动力不足。

 

分析可知，我国发展家电用SOI功率芯片的当务之急是打造完整的产业链。就当前我国产业发展现状来看，重新组建IDM公司可能性较低，一个较为可行的方案是SOI BCD代工厂（例如华润上华）与大客户（例如格力）共同合作研发定制化工艺。