2007年电子行业三大绿色预言

2007-05-28 14:54:33来源: 电子工程专辑

电子产品的发展给人类生活带来越来越多便利与美好体验的同时,一些弊端随之而生,电子垃圾、环境污染、能源消耗速度过快等种种问题开始困扰人们。于是,全球对环保与节能的关注达到了前所未有的高度,如何应对环保指令、开发新的节能产品、充分利用能源逐渐成为一个越来越热门的话题。

绿色预言之一:全球环保指令林立,制造设计将经历更大变革

人们习惯的把去年7月份欧盟RoHS的实施对中国电子产业的影响比喻为一次冲击波,其实这只仅仅是个开始。目前,中国大陆、台湾地区、韩国和美国某些州都在制定自己的“绿色”或类RoHS法规,其中,中国大陆将于3月1日执行的《电子信息产品污染控制管理办法》(俗称中国版RoHS)对中国电子产业来说无疑是一场更彻底的洗礼。

禁用有害物质不再只是出口厂商的事情了,大多数电子厂商已经非常清楚的意识到:不满足该禁令不仅意味着将失去市场,而且直接影响企业日后的生存。一般来讲,在中国庞大的电子企业群中,大型企业收集、跟踪信息较快而且在原材料采集上比较关注环保标准,去年欧盟RoHS于7月1 日正式实施,他们大部分都提前6个月到1年的时间提前准备,所以这次应对中国版RoHS应该非常轻松。

不过据某检测机构内部人士透露,还有些小型企业和不规范的企业没有对系列环保法规引起足够的重视,相比于大量外销型企业针对欧盟RoHS提前半年以上就积极咨询与改进,在距中国版RoHS正式实施仅仅2个多月的今天,积极参与的内销型小企业还只是一小部分。“或许其中的原因在于中国版RoHS的具体强制执行时间还没有公布,不过我很担忧残酷的市场与法律是否会对一批企业造成冲击,就像几年前开始强制CCC认证那样。”该人士表示。

传统制造工艺将得到全面革新

《电子信息产品污染控制管理办法》专门为限制电气和电子设备中有害物质的使用而开发,其覆盖范围包括中国的企业以及产品向中国销售的所有企业。

虽然该法规与欧盟限制有害物质相同,但中国版RoHS对标签和测试要求更严格,它与欧盟RoHS的区别表现在:中国版RoHS是将需要认证的产品直接列出来,而欧盟则是将可以豁免的产品列出来;中国版RoHS无需转换成法律规范性文件就可以直接实施,欧盟RoHS指令需要转换成欧盟成员国法律才可以实施;中国版RoHS对象为电子信息产品,欧盟RoHS指令对象为交流电不超过1000伏特、直流电不超过1500伏特的电子电气设备。

已经有一些分销商对自己的现场应用工程师(FAE)进行了有关机械和制造问题的培训,旨在通过FAE来帮助客户实现环保器件的转换,使他们了解工艺转换时可能存在的问题。此外,对于一些因为终端应用豁免或其它原因而无需遵循法规的客户,半导体制造商还需要评估市场并合理规划自己的产品线。

相比于在传统的铅制系统方面积累的丰富经验,电子业界对于无铅世界的知识还非常薄弱,与工艺有关的风险会随时出现。由于铅的用途主要是连接焊料、终端以及镀层,涉及这些领域的制造商需要针对多种真实环境进行测试,以解决新系统中可能出现的各种问题。

此外,针对电镀化学中锡须形成的风险、影响焊点可靠性的铜分解现象、高温焊接对PCB表面处理以及元器件的要求等,制造商都不得不改变工艺流程,更新制造流水线。

新的设计流程将逐渐成熟

为了避免随无铅焊接过程中出现爆板、分层和焊点可靠性差等问题,必须在焊接之前确保PCB质量,这给PCB设计者和制造商都带来了新的课题。就像分销商会给客户做相关的环保元件培训一样,为了使PCB更具可加工性,PCB制造商也会向设计者做一些加工工艺的培训。

“无铅焊接过程中形成可靠的合金层需要较大的热量,而过多的热量会引发热分解温度、张力系数、热扩散、热应力等问题。”据深南电路技术中心高级工程师高晗透露,“此外,无铅焊接对焊接设备的要求很高,好的焊接炉要求有多个温区,而且单一温区的温差必须很小才能防止过孔破裂,虚焊等问题产生。通常用于有铅焊接的设备无法满足无铅焊接的要求,所以许多传统设备还有待更换。”

新的环境法规不仅为全球的制造商和供应链带来冲击,而且也将驱动设计流程的改革。“自从去年欧盟RoHS指令正式实施后,我们公司无铅产品的数量明显增多。”他补充道,“许多客户也经常咨询有关材料选择、可靠性加工等相关问题。只有让设计者清楚地明白符合性设计的制造流程,他们才能设计出来满足无铅加工需要的产品。”

符合环保标准将贯穿设计过程中的多个重要环节,在概念、开发、原型、样产以及量产的各个阶段,设计者必须时刻进行相关检测。为了减少风险,工程师需要在概念阶段就列出符合性数据。

在来自设计者的反馈中,我们发现,与传统设计流程不同的是,新的设计流程需要来自各方面的支持。在寻找符合条件的绿色元器件库方面,需要得到供应商的支持;在证明符合有关指令方面,需要得到认证机构的支持;在产品的可制造性方面,需要得到制造商的支持。这些都是设计工程师需要关注的重点。

在得到各方面的支持后,设计者还必须把所设计产品的需求反映到设计参数中去。除了综合考虑产品的外形、装配、功能、成本和可销售性,器件的尺寸、性能、电气参数和功能,现在还必须增加有关环境兼容性方面的新要求。

未来还有更严格的环境法规将陆续出台:回收、能效……

从目前情况来看,禁用有害物质对产品成本造成一定幅度的上升,但从长远来看,环保电子是全球的发展趋势,成本上的差异也会越来越小,而且当同类产品都无铅后,成本竞争又回到了同一起跑线上。

全球已经有多种绿色标志,例如德国蓝天使、欧盟Eco-flower、瑞士TCO认证、北欧天鹅标章、中国节能产品标志等,是否符合环保要求将成为产品直接竞争力。此外,更严格的环境法规,例如欧盟的化学品注册、评估和授权(REACH)法,也即将出台。

不仅有害物质是最重要的环境参数,电子废弃产品的可回收性、回收总量以及材料精简等问题也成为新的要求。2006年8月14日,中国颁发了《废弃家用电器与电子产品污染防治技术政策》,在此之前,2001年4月日本《家用电器回收法》、2003年10月日本《个人电脑主动回收和循环再利用部级规定》、2005年8月13日欧盟《废弃电气及电子设备指令》(WEEE)相继发布,科学的环保回收也成为一个热门领域。

同时,在能效方面也出现越来越多的节能标准,例如“能源之星”认证项目、美国加州能源委员会(CEC)、欧盟行为准则、欧洲高能效电器组织(GEEA),以及中国节能产品认证中心(CECP)均把节能放在环保的重要一环。欧盟近日还公布了“能效行动计划”,打算在2020年以前节能20%,而且欧盟委员会计划从2007年开始更新器具及设备的标签并为其制订最低工作性能要求,特别要减少待机耗电量。另外,还将在2007年8月正式实施《耗能产品环保设计指令》(EuP)指令等。

绿色预言之二:半导体照明产业更趋成熟

回想一个多世纪以来照明领域发展的几个阶段,从最初的白炽灯、荧光灯、卤灯、到现在的LED,明显发现照明朝着更节能、更环保、更健康的方向发展(见图1)。近年来,LED在颜色种类、亮度和功率方面都取得了极大的进展,应用范围超越了标识、显示以及背光源,广泛的进入汽车领域。此外,我们还发现许多IC厂商已经开始推出面向汽车LED灯、照明LED灯的驱动,基于去年我们报道的大量新闻,可以预言:LED在几年内还将走进普通照明领域。

外延片生长将出现新的技术突破

在半导体照明产品的外延片生产、芯片制造、器件封装、集成应用等几个环节已初步形成比较完整的产业链。去年,全球各地的LED展会频频举行,参展商类型广泛地覆盖了从LED芯片、LED材料、LED封装、LED显示屏、LED测试仪器等多个领域。不过,很容易可以发现,关键的外延片生长技术还掌握在少数大公司手中。

在中国,生产外延材料和芯片的企业包括深圳方大、厦门三安、福日电子、南昌联创、上海蓝宝及大连路明等。一些机构及公司正积极研究GaN、SiC、ZnO等第三代材料。不过由于衬底问题没有得到解决,GaN生产的良率问题一直是个挑战,根据有关资料显示,中国GaN基外延片生产能力仅占中国芯片用量的10%左右,而去年末上市的索尼PS3也是因为基于GaN的蓝光二极管“断粮”而产生一机难求的局面。

目前,虽然还没公司能成功实现GaN真正的量产,但各国政府有关机构、相关企业以及风险投资公司纷纷加大了对GaN基半导体材料及其器件的研发投入和支持,随着进一步的研发,相信还会出现新的技术上的突破并最终带来成本的降低。

大功率LED将成为新热点

被称为“绿色光源”的大功率LED照明技术有着广阔的发展前景,有望朝着大LED电流(0.3-1.4A)、高效率(60-120流明/瓦)、亮度可调的方向发展。现阶段,针对大功率LED材料和制造技术等诸多瓶颈,全球研发成果进步显著。


F1 半导体照明将推动人类照明历史上的第二次革命。

在LED本身发光效率方面,美国能源部的能效计划是到2012年商用白色LED的能效达到150流明/瓦,2020年达到200流明/瓦。中国科学院半导体照明研发中心则把发光效率200流明/瓦、寿命10万小时、显色指数大于80作为自己的目标。另外,根据一些已经公开的资料,预计在2007年将出现多家公司有能力实现或将要实现100流明/瓦的能效,包括日亚化学工业、Cree公司、西铁城电子、Nichia公司、韩国首尔半导体等,提升白色LED发光效率的竞争将更激烈,最终刺激效率提升的速度。

大功率LED的应用除了汽车、医疗和仪器仪表领域,还包括其它特种照明环境。这些应用对LED驱动的要求更加苛刻,比如更宽的输入电压范围;具有冲击负载保护、反相和过压保护;更低的待机功耗;具有PWM的可调亮度的功能等。目前常见的LED驱动器包括基于电容的电荷泵和基于电感的DC/DC。

基于电荷的电荷泵发展已经很成熟了,而且还不断出现了新的附加功能,例如安森美用于低功率的浮动稳压电荷泵、研诺逻辑结合安全计时器的600mA双调节电流输出闪光驱动器、Catalyst半导体专有的Quad-Mode型LED驱动器、Sipex输出电流可达1.2A的升降压电荷泵LED驱动器、美国国家半导体双增益结构的LED驱动器等。

基于电感的高电压DC/DC转换器系列的规模庞大且不断增长,通常用来驱动大功率LED灯。不断推出的新产品包括:使每个LED获得80流明至120流明亮度的凌力尔特公司的LT3474和LT3475,研诺逻辑的传导升压DC/DC转换器AAT1231等等。

市场研究公司IC Insights预测,到2010年全球LED总销售收入将达到6.7亿美元,而包括白色LED在内的高亮度LED销售收入将占到总销售收入的86%。而目前中国已形成了五大半导体照明工程基地,即深圳、厦门、南昌、上海和大连,但产业链还有待进一步完善,LED的性价以及效率也还有进一步的提升空间,外加日益倍增的需求,我们可以预计未来几年内,半导体照明绝对是一个热门领域。

绿色预言之三: 电子技术将为汽车节能做出更大贡献

能源紧缺的持续呼唤,以及标准与法规的出台,这两方面因素相得益彰地推动了汽车的节能趋势。去年国家认证认可监督管理委员会发布的第26号公告中,将中国质量认证中心、中汽产品认证中心的2家认证中心和7个检测实验室作为第三方机构,共同承担起国家节能环保型汽车自愿性产品认证的工作(这个自愿性认证得到了厂商的支持)。不仅如此,2006年11月3日,中国发展和改革委员会还首次对社会公开发布经过权威部门核实的汽车油耗数据,这一举措意味着厂商油耗竞争愈加激烈。

关于车辆节能,一般人们关注的是车辆的百公里油耗,但是飞兆半导体公司亚太区总裁兼董事总经理郭裕亮先生补充表示,现今汽车的电气功耗越来越高,电动动力转向、电力制动器、风扇的电机控制、座椅位置调校以及天窗等均需要更多的能量。用户不仅可通过减少热耗散能量的方式来直接节能,而且可通过减小和减轻电气系统中的其它元件以改善车辆的节能。

展望未来车辆节能趋势,安森美半导体汽车和电源管理部全球销售及市场总监郑兆雄认为,一是从通常的线性方案转变为开关电源与线性电源的结合,以增加整个系统的效率;二是在电压调节上,减少非打火状态时的静态电流,这在汽车未启动时限制汽车电池的漏失非常有必要。

在最受人关注的如何降低排放量、提高燃油效率方面,飞思卡尔半导体(中国)有限公司汽车及标准产品部业务拓展经理康晓敦的观点是采用新的电子动力系统控制技术,因为各种先进的嵌入式控制器、传感器技术、动力管理组件和动力制动器驱动,将会使新车辆更加经济和环保。

节能意识将增长对车用IC的需求与创新

毫无疑问,节能汽车给车用IC提供了广阔的机会。此外,自从2005年10月1日《国家混合动力汽车标准》开始进入正式实施阶段以来,中国的混合动力汽车得到了很大的发展。长春一汽、一汽大众、上汽、长安、比亚迪、奇瑞、华普、沈阳金杯、厦门金龙、安凯、宇通、深圳钜华等企业,都相继推出了混合动力客车。其中,五洲龙混合动力客车经过了澳门及深圳的公交公司近一年的商业投放示范营运,所带来的环境效益已经突显。混合动力客车不仅排放量较同类车减少22%至25%,排放指标达欧Ⅲ标准,且耗油量低,节约燃油约30%。

全球能源有大约20%都消耗在交通运输上,如果所有的车辆都能改用混合动力,那么这个比例将减少将近一半,英飞凌科技亚太区混合动力汽车电子技术市场主任工程师Andreas Volke表示。混合动力汽车需要大量用于发动机控制、电池管理、再生制动、电动转向以及其它系统的电子元器件,一部混合动力汽车所用的电子元器件占汽车基本成本的47%。而且,我国国民经济“十一五”规划建议稿中也明确提出,电动汽车产业发展的目标之一就是实现混合动力汽车的小批量生产。所以,混合动力汽车更快地加速了汽车半导体厂商的收益。

绝缘双极晶体管(IGBT)和功率MOSFET是混合动力汽车的核心技术。iSuppli预测汽车IGBT市场有望以17.2%的年复合增长率高速发展,位居汽车电源管理器件之首,MOSFET市场增长据其次。

“到2010年和2015年,混合动力车辆将占据车辆市场的一小部分,但是混合动力对逆变器和DC/DC的集中需求将形成市场对IGBT和功率MOSFET的巨大需要。这些产品必须是效率最高的,因为功率等级相当高且正在从10kW向60kW不断地增加中。”郭裕亮表示,“目前飞兆半导体已针对这些应用提供产品。此外,我们还正在针对动力转向和其它电机应用开发逆变桥模块。”

从汽车制造业的角度看,还有个主要挑战将是用重量更轻的电气系统所来代替沉重的机械系统,安森美的郑兆雄认为,新的电气系统还要在保证成本与减轻重量和增加效率之间取得平衡。

现代电子控制系统不仅要满足法律规定的尾气排放等级、提供具有竞争力的油耗,还要满足消费者的“驾驶乐趣”。因此,汽车制造商必须增加更多的设计,如汽油直接喷射(GDI)、氧传感器、电子油门控制(ETC)、Camless引擎设计、汽油机缸内燃烧控制、排气再循环(EGR)以及蒸发排放控制系统以及等。而这些新功能需要精确的时间测量和电机控制,在自动编码、自动校准、基于车型的控制、通用操作系统、DSP算法和浮点操作中,都要用到高性能MCU。康晓敦介绍道,飞思卡尔的Power Architecture处理器是在全球所有现有的和规划的动力系统中的部署超过了40%,而且也非常适合混合动力车。

为满足汽车应用的特殊要求,尤其是混合动力车的特殊要求,功率半导体器件及其封装不得不进行专门的优化。英飞凌科技的Volke表示:“对于半导体领域来说,挑战在于必须适应更广的操作温度,以及不断增加的功率密度。另外,用于下一代混合动力车中的芯片,其封装也必须能适应高温环境,并达到高的稳定性。”

除了对IGBT、功率MOSFET以及用于电源供应的功率元器件的需求出现显著增长、用于更先进的动力引擎控制系统的车用控制器、面向信息处理及通信的高频IC和DSP、以及其它一些车用模拟IC及存储器等也预计会出现显著增长。对于混合动力领域来说,如何贮能也是一个很大的机会,新的贮能材料、充电电池及电容一体化模块纷纷问世。一般来讲,技术的初步形成,和广阔的市场需求空间,必然会推动产业的快速形成和前进。所以,非常有理由相信,不仅在公交与客运领域,未来还将有更多的混合动力汽车奔跑在家用领域。

此外,高速发展的中国经济对汽油的依赖程度还会更高,仅靠混合动力技术并不能达到节能和持续发展的目标,这也给新能源汽车带来自己的利基市场。可以肯定,未来几年还会对现有内燃机技术进行持续优化,出现各式各样令人眩目的新能源汽车,例如天然气汽车、生物动力车、氢动力汽车等。

关键字:制造  设计  厂商  工艺

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