專注材料創新 被動元件亦可大放光彩
2014-11-30 22:18:50 本站原創2014年中秋假期，我和幾個媒體同行一起共赴日本，采訪東芝、TDK和尼吉康三家日本公司。這三家公司向我們介紹的重點主要圍繞被動和分立元器件產品技術。一直以來，我們都不太重視這些小的被動和分立器件，認為它們既然不是系統的核心器件，所以也不會涉及多么高深的技術。然而本次采訪之旅讓我收獲頗豐，我強烈感受到，這些容易被忽視的器件，卻是半導體系統的基礎，而制造這些器件的材料則是基礎的基礎。多年以來，這些日本企業專注于半導體材料的研發和創新，讓被動元件煥發無限神采，除了支撐系統基礎功能，更被創新地應用于目前最熱門的電子產品和一些具有未來理念的概念性應用中，讓人眼界大開。
而這些日本企業對于環保的關注和重視，以及對周邊人文環境的關懷也讓人印象深刻。他們不僅將環保措施貫穿于整個生產過程，更積極參與社區和城市的各種活動，讓企業如同一個市民緊密融入整個地區的人文環境中，為這個地區的建設積極貢獻力量。
東芝加賀工廠：從研發到制造一條龍服務
采訪的第一站是位于日本西南部石川縣能美市的東芝半導體公司的加賀工廠。加賀工廠被優美寧靜的田園風光所環繞著。東芝電子（中國）有限公司董事長兼總經理田中基仁先生特別從上海趕來出席采訪會議，此外還有來自加賀工廠的社長藤原隆先生以及東芝東京總部的相關負責人。
東芝的存儲器產品具有很高的知名度，分立器件市場占有率居世界第一，光耦產品市場份額也居世界第一位。白光LED產品作為重點產品剛開始量產。東芝分立器件包括四大類重點產品：光耦、小信號器件、功率器件和白光LED。其中光耦和白光LED產品又是加賀工廠重點生產的產品，東芝分立器件80%的前道工序在加賀工廠完成。加賀工廠具有從產品研發、策劃、設計到制造，從晶片到成品的一條龍全方位服務能力。
圖1：東芝加賀工廠用在8英寸硅片上生長GaN（氮化鎵）技術生產白光LED。
在8英寸硅片上生長GaN（氮化鎵）技術是東芝加賀工廠的核心技術之一。加賀工廠用此技術生產白光LED。GaN是一種新型的半導體材料，它有很好的半導體特性，適合高開關速率的器件，非常適合用于制造白光LED。在8英寸的硅片上生長GaN材料相比傳統2/4英寸藍寶石基底成本更低（降低30%左右）、產量高、而且可提供的產品線也更加豐富。SiC（碳化硅）是另外一種新型半導體材料，相比GaN，它更適用于高功率器件。東芝公司的另一工廠-姬路工廠主要負責生產基于SiC材料的器件。
在高電壓超結開關MOS管的生產中，東芝在它的DTMOS IV系列產品上采用了獨特的單層外延（Epi）制造工藝，由于采用單層外延構造，可實現FET的細微化，而且在縱向上控制了不純物濃度，從而實現了高壓和低導通電阻的并存。與多層外延相比，能夠在低成本條件下實現更高的性能。傳統的制造方法是采用多層外延技術。由于制造工藝的難度很大，如今采用單層外延構造的生產廠家幾乎沒有，為了使用更先進工藝生產更高性能的產品，東芝正在積極地進行單層外延構造方面的開發。
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圖2：在高電壓超結開關MOS管的生產中，東芝在它的DTMOS IV系列產品上采用了獨特的單層外延（Epi）制造工藝。
加賀工廠建設有三個潔凈室：KCR-I、KCR-II和KCR-III，分別代表越來越高的潔凈度。KCR-III的潔凈度最高，技術人員介紹，整個潔凈室房間里的潔凈度為C-10000，即每立方米空氣粒子中直徑為0.1μm的塵粒在10000個，而在設備制造的空間里潔凈度為C-10，每立方米空氣粒子中直徑為0.1μm的塵粒僅10個。如此高潔凈度的潔凈室主要是用于生產基于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主要用于生產基于5和6英寸硅片的小信號器件和光耦產品。
整個工廠的生產管理可說是極為嚴格和自動化。生產管理包括品質管理和時間管理。整個生產管理是通過一個CIM（計算機集成制造）系統進行，在生產管理方面，根據客戶要求推算出前道工序要求的時間和時間分配；在品質管理方面，出廠前進行重要規格參數的檢測和相關數據搜集分析，一旦出現壞的情況可自動調整處理。工人通過一臺特制的PDA設備即可全面監控和管理生產流程。在生產過程中最大的風險來自雷電的干擾。為應對此風險，工廠配備了一套MPC-多功能能交換裝置，可以很好地應對雷電帶來的瞬時電壓突降的情況，保證產品的正常生產。工廠還建設了藥水集中供給系統，很好地降低了成本，減少了環境污染。
技術人員還介紹，目前在KCR-III里基于8寸硅片生產白光LED前道工序的產能為5000片/月。工廠的目標是在2016年達到25000片/月。
展望分立器件未來發展的市場潛力，田中先生表示非?？春霉β势骷蚅ED產品。汽車、白光LED照明和工業應用市場將是發展潛力巨大的市場。2015年全球白光LED市場規模可達一萬億日元，而中國大陸市場潛力很大。
TDK研發總部：“磁性”是DNA，創新是座右銘
采訪的第二站是位于東京旁的TDK公司研發總部。一看到TDK公司的LOGO，很多人會想起上學時學英語的磁帶上面常出現這個LOGO，喜歡看體育比賽的人會想起世界田徑錦標賽上運動員的衣服上也常出現這個LOGO，那是因為TDK自1983年開始成為世界田徑錦標賽的官方贊助商。除此之外，大部分人對TDK了解就不多了。
TDK公司的名字是有其具體含義的，其中T代表東京，D代表電子，K代表化學。1930年，東京工業大學電化學專業的加藤與五郎博士和武井武博士發明了鐵氧體材料。1935年，齋藤憲三先生成立了TDK公司，發展以鐵氧體材料為基礎的電子元件產品。源于東京工業大學與TDK的“鐵氧體發明及其工業化”于2009年被IEEE認定為對社會與產業的發展都做出巨大貢獻并具有歷史意義的里程碑式的研究開發。這是全球第89項、日本第10項獲此殊榮的企業?？梢哉f，從創業之初直至現在，TDK一直基于鐵氧體這種材料的基礎上進行產品的研發和生產，這種DNA一直未變，而以材料為起點，集多種創意設計于一身，從材料入手思考問題、制造產品的這種創造和創新的座右銘也一直秉承至今。
圖3：TDK技術總部總經理、高級副總裁松岡薰博士和技術與知識產權戰略總經理崔京九博士接受了采訪。攝影于２０１４年９月９日
從1935年創立到1994年的60年間，TDK曾創造出了讓世界矚目、改變人們生活的四大發明：以鐵氧體為原點的材料技術、大幅改變音樂生活的磁帶技術、推動電子設備小型化的精積層科技和可實現令人驚嘆的高記錄密度的磁頭技術。而當時間來到了2014年，在這個瞬息萬變的時代，在智能手機、移動互聯網和電子商務主導一切的時代，很多企業掉隊了，曾經的輝煌湮滅了。而TDK這個具有悠久歷史的公司卻依然保持著旺盛的創造力和勃勃生機，一方面在原有的產品和技術方面繼續提高和創新，一方面不斷發掘嶄新的應用，將成熟的技術應用到嶄新的應用中，實現令人驚艷的應用體驗，第三方面則是研究探索一些全新的材料技術及其應用，為改變人類社會生活找到更多突破。
硬盤驅動器所需的納米薄膜磁頭技術，是TDK具有世界水平的成熟技術。采用多層堆積和納米級的處理工藝，使磁頭可實現精細的記錄。隨著人們對磁盤容量和密度的需求迅速擴大，必須提高磁頭的記錄強度。TDK基于獨家技術將近場光發光元件組裝于記錄磁頭上，實現了對超微領域的記錄。TDK將磁性自旋電子技術和光電技術融合，在世界上率先開發出搭載激光光源的記錄磁頭，能夠將硬盤系統的變更控制在最小限度，實現從以往記錄方式到熱輔助記錄方式的轉變。這種熱輔助磁記錄的密度可實現超過1Tb/in2的要求。
基板內置用薄膜電容器（TFCP）主要用于IC的去耦、板載電源的穩定化。在超級計算機上必須使用高頻電容，因為普通電容會產生比較高的噪聲和阻抗。因此，TFCP適合高速通信、高速計算以及4K/8K高清電視和游戲機等應用領域。TDK的真空鍍膜技術是通過濺射方式在鎳箔基板上形成薄膜、然后進行高溫燒結，從而提高了結晶性，使薄膜的相對介電常數達到1000左右，由此實現了1μF/cm2的容量。此外，TDK的TFCP產品還可實現從芯片型單片到整張薄片的任意形狀以及圖形化電極，鎳箔基板可做得很薄（50μm）并具有撓性。TDK技術總部的技術本部長（相當于公司CTO）松岡薰先生告訴我們，TFCP所用到的真空鍍膜技術難度非常大，TDK用了10年時間進行該產品技術的研發，用了3年時間將產品成品率從20%提高到90%。我非常欽佩TDK公司這種鍥而不舍的創新精神，這在目前這個急功近利的時代太寶貴了。
當非接觸供電技術展現在眼前時，我們所有人不禁眼前一亮。如此具有未來概念，符合環保理念的應用竟然也是通過鐵氧體材料實現的！將鐵氧體材料線圈分別嵌入到被充電設備和充電設備上，利用線圈之間的電磁感應進行方便快捷環保的充電。這種線圈可以與便攜設備的充電結合起來，用于便攜設備如筆記本電腦、平板電腦和手機。而當它應用到汽車上時，我們所夢寐以求的全方位、立體供電模式就成為了現實。在汽車車身和地面上分別安裝鐵氧體線圈，汽車就可以在停車場自動充電；線圈鋪在高速公路上，汽車行駛時就可充電；汽車停在家中，還可以給家里的電子設備供電，從而實現全方位立體式的雙向供電。在TDK技術總部的技術展示室，技術人員給我們演示了汽車立體充電的模型。通過高頻充電可以保證充電的速度很快。目前它的供電效率為90%，經過改進可提高到95%。這種充電模式與鋰電池汽車模式共存，使使用更加方便。TDK一直在努力降低系統成本。盡管它還處在概念階段，我相信隨著創新的繼續，這項技術會進入人們的生活中成為不可分割的一部分。
圖4：使用鐵氧體線圈實現非接觸供電技術讓未來的立體供電成為現實。
TDK的位置傳感器產品是具備優秀耐環境性、能夠檢測距離及角度的傳感器，它能夠對檢測對象物質的移動距離以及角度進行檢測。它能夠檢測磁場方向，并能夠精確測定檢測對象物質的位置。由于采用磁性材料，它不會受到環境灰塵的影響，磁路和電路混合使之有記憶功能。它能夠精確測定幾十毫米范圍，在水中、油中、噪音環境下亦可使用。具體的應用包括汽車的掛檔及齒輪位置的感應等。
TDK的透明導電薄膜FLECLEAR是世界最高級別的透明導電薄膜，可實現15μm/100sqΩ的超低阻抗。它整合了從TDK的磁帶開始的薄膜制造技術以及在光盤和半導體制造中積累的濺射鍍膜技術，十分清晰、透明，是應用于觸屏設備包括手機、平板電腦等的理想的薄膜材料。技術人員告訴我們，這種非常先進的薄膜是TDK剛剛開發出來的最前沿技術，目前還沒有上市，但預計其市場競爭力是巨大的。
尼吉康：森林公園里的電容器工廠
當汽車向尼吉康公司位于富田和大野的兩個工廠駛近時，我們一度以為進入了一個森林公園。清澈的小河在腳下蜿蜒流過，岸邊是濃密青翠的山林，沿著山路盤旋而上，清新的空氣幾乎讓我們忘了是來采訪兩個制造電容器的工廠。
尼吉康制箔富田工廠和大野工廠分別位于一條馬路的兩側，周邊被綠地和山林所環繞。富田工廠是制造鋁電解電容器的材料——鋁箔的化成部分的工廠，而大野工廠是生產電容器的工廠。鋁電解電容器的制造流程是這樣的：從原箔廠商購買到鋁原箔以后，先在尼吉康制箔大町工廠進行腐蝕，通過鋁原箔的粗面化，擴大表面積。生產出的陰極箔出廠后供給尼吉康位于日本、中國、馬來西亞以及其他地區的各個電容器制造廠；生產出的陽極箔交給尼吉康制箔富田工廠進行氧化處理，通過腐蝕箔的化成，生成氧化皮膜，化成后的鋁箔交給上面提到了位于全世界各地的制造工廠生產為電容器成品。
圖5：尼吉康制箔富田工廠車間一景。
走入富田工廠車間，高大的設備整齊而密集地排列著，幾乎看不到什么操作工人。一輛唱著歌兒的自動搬運車從我們身邊輕快地駛過，我們都輔以微笑。富田工廠總經理関弘治先生介紹，整個工廠自動化程度非常高，從箔的化成、卷帶、搬運、裝卸全部是自動化完成，工廠旁邊的一間大的控制室里有一些技術人員，他們面前有幾臺工業電腦和控制臺，整個廠房里的設備全部由這個中央控制臺進行管理和控制，還包括產品的特性測試。而在成品箔倉庫里，一個大型機器人正在往好幾米高的貨架上裝卸貨品。
富田工廠的產能可達到100萬平方米/月。更值得稱道的是工廠的節能和環保舉措。生產電容器本身對水的質量和數量要求很高，這就是為什么這兩家工廠都位于山青水秀的地方。生產產生的廢水的處理問題非常關鍵。富田工廠采用了嚴密的環保措施，通過完善的設備去除排水里面全部化學藥品，同時采用生物除染技術，使得最終排出的水比原來的河水還干凈。
大野工廠是尼吉康生產電容器的主力廠，它包括了從電容器的設計、研發到生產的完整能力。從制箔工廠拿到成品箔后，在這里經過切割、組裝、老化、加工，最后以成品出廠。大野工廠一大優勢就是它作為技術中心工廠承接關聯工廠的研發任務。從素材（電極/電解液）開始開發，統括所有技術開發部門，提高產品開發速度，同時還引進了統一管理整體組裝廠的技術/品管的總廠制度，這樣就可以確保提供高品質的產品，可滿足車載要求的品質。一方面采用省力的自動化標準化生產線，另一方面也能根據客戶交貨期需求和引線需求生產定制型產品。大野工廠產品良率可達到97%。
圖6：我們的媒體隊伍參觀尼吉康大野工廠車間。
尼吉康所生產的鋁電解電容器的特點主要體現在：高超的腐蝕技術可以充分擴大電極箔實效表面積，從而實現了小型化；世界先進的電解質皮膜技術可實現耐電壓1,000Vup，非晶質（Amorphous）皮膜技術，可形成耐電壓變動的電解質皮膜；先進的電解液技術，憑借設計和采用最新電解質憑借設計和采用最新電解質，實現了高耐熱品和高耐電壓品；豐富的產品系列，從高度4.5mmL的芯片型到250mmL的螺栓端子型，備齊了尺寸、電壓、溫度范圍等廣泛范圍的產品陣容，提供符合用戶需求的各種電容器；高耐電壓化技術憑借導電性高分子形成方法、構件構成及素子設計的優化，實現了行業最高的額定電壓１２５Ｖ；高可靠性化技術可充分激活導電性高分子的特性，使產品在廣泛的溫度內保持穩定可靠；豐富的產品陣容，擁有尼吉康品牌和FPCAP品牌，通過開展芯片型品和引線型品的系列產品，滿足用戶多樣化的需求。
白色家電和工業用變頻設備、汽車及車輛相關設備、能源/環境/醫療設備、信息通信設備是尼吉康鋁電解電容器四大重點應用市場。每個市場的需求各不相同，面對這些需求，尼吉康的鋁電解電容器的研發方向將集中在小型化、高容量、長壽命、抗電壓性、防高溫高濕度等方面，同時在材料上繼續改進。
執著于材料技術的研發和創新，嚴謹而扎實，讓被動器件也成為創新的生力軍，他們帶來的突破可能更革命，更徹底！
