十二五固体继电器产业发展规划

一、前 言 固体继电器是半导体技术与传统继电器技术的结合，而且在固体继电器技术发展中能够不断融入半导体技术和现代通信网络技术的新发展，如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列集成电路(FPGA)、计算机数据通讯、总线控制和多芯片组装(MCM)、低温多层共烧陶瓷(LTCC)、系统级芯片(SOC)、系统级封装(SOP)等技术，固体继电器显现着美好的技术前景和强大的生命力。 据国际知名的风险投资公司分析（VDC）公司统计分析和预测，世界继电器总的年销售增长率为6.2%，固体继电器将超过14%。固体继电器的较大市场是工业自动化领域，2006年固体继电器已占到了这部分继电器市场的27%。固体继电器扩展最为成功的领域是自动测试设备，2006年已约占57%。在世界继电器的较大市场——运输车辆，2006年固体继电器的销售额不足3%，预计2011年仅为4.5%。 据多种资料分析，在美国军用领域，固体继电器销售额已占军用固体继电器的30%。在2006年出版的美国“工程师继电器手册”的军用继电器一章中，五次反复强调固体继电器正在取代电磁继电器。可以预计，再有十年左右的时间，在美国固体继电器可能占据军用和工业控制装备领域用继电器的主导地位。国际上，美国、日本、德国的多家公司的自动测试和通讯用光-MOS固体继电器、大功率智能化控制固体继电器均已形成批量生产能力，密封固体继电器、抗辐射固体继电器、270Vd.c.输出固体继电器、智能固体继电器均已形成系列，当前多家公司已推出适用于总线控制、跳闸电流可外部编程的固体功率控制器(SSPC)和由SSPC组成的控制组件。 国内的继电器研制生产单位、整机装备单位和管理机关的专家和管理者越来越认识到，军用固体继电器的需求市场正在迅速扩大，正在更多的领域逐步取代电磁继电器，固体继电器已成为“十二五”或更长时期军用继电器的研发重点。许多单位正在把固体继电器及其组件列为自己研发的重要目标。可以预见今后十年是固体继电器市场大发展的阶段，十二五期间更是极其关键的阶段。 按照国家十二五规划纲要和战略性新兴产业发展纲要的总体要求，在调研、分析的基础上，编制了固体继电器“十二五”规划。 

二、“十一五”回顾及面临的形势 

（一）“十一五”简要回顾 我国固体继电器产业在十一五期间取得了重大发展，突破了多项关键技术，生产能力大幅度提高，市场规模不断扩大，逐步缩短了与国际技术的差距。 1、所取得的成绩 （1）关键技术突破 ① 光-MOS固体继电器 北京科通等研制成功的陶瓷封装光-MOS固体继电器型谱系列研制项目成为“十一五”初新品科研的亮点，项目完成了几十个光-MOS固体继电器的设计定型，且实现了常闭输出功能。光-MOS固体继电器系列取得了显著的经济效益，受到了总装的表扬，成为固体继电器市场增长的重点。 ② 大功率交流和三相固体继电器     威海新佳、北京科通等多个固体继电器厂家已推出这类产品，额定输出电压可达600V，额定输出电流可达500A，并提供控制三相电机正反转的固体继电器。 ③ 通用固体继电器的生产能力     厦门宏发（金欣荣）和浙江欣大研发的白色家电和控制用中小电流固体继电器，已具有批量规模生产能力和每只4~5元的有竞争力的低价格。 ④ 抗辐射加固和稳定性增长 科通研制的抗辐射加固预研项目产品达到战略级装备应用要求。通过电路设计，元器件优化筛选、辐照试验等技术研究，达到了γ射线总剂量5×104Rad(Si)；中子注量5×1013n/cm2（1Mev等效）；γ射线剂量率1×1010rad(si)/s的抗辐射加固指标。这些指标可以初步满足战略导弹和长寿命卫星等装备应用要求。 II期增长以I期增长攻关为基础，并且把固体继电器的质量水平由I期的执行GJB1515A《固体继电器总规范》的Y级提升到航天专项工程电子元器件标准要求的亚宇航级（K1），该质量等级以GJB2438A《混合集成电路通用规范》的宇航级（K级）为基础，个别项目进行了修改，通过更高要求的工艺和内部气氛控制，将确保32年的长期稳定存储。 ⑤ 可编程固体继电器和固体继电器控制器组件 桂林航天、北京科通建立了在线可编程固体继电器设计技术平台，实现了多种在线可编程固体继电器产品，并开发了多种固体继电器控制组件，实现了多路综合固体功率控制器。  （2）产业发展情况 “十一五”期间固体继电器市场有较大增长，“十一五”末期较“十五”末期销售收入增长了138%，详见表1和表2。 表1: “十五”和“十一五”末期我国固体继电器产业发展指标对比表 表2：2006-2010年我国固体继电器产业指标情况 2、存在的不足 ① 光-MOS固体继电器的品种、性能和生产能力与国外有较大差距 光-MOS固体继电器的主要发展方向有两个，一是小型化、一是低输出电容。松下公司是产品小型化的代表，其近期推出SON封装，尺寸仅为2.95mm×2.2mm×1.4mm，是已知的最小的光-MOS固体继电器，国内具有自主知识产权的光-MOS固体继电器最小体积为7.62mm×5.08mm×3mm。 低输出电容的光-MOS固体继电器产品的代表厂商有IR和松下，松下公司的指标最好，可以达到C×R10。其产品实际关断输出电容为1pF，接通输出电阻为10Ω，如此小的输出电容理论上可以控制几十兆信号的通断。 光-MOS固体继电器是当今国际上固体继电器的最主要品种，约占固体继电器总产量的70%，而且美、日、德和我国台湾均具有塑封光-MOS固体继电器的大批量自动生产线，我国目前既没有塑封光-MOS固体继电器的自动生产线，又尚未掌握有关的自动化生产技术。 ② 军用固体继电器抗辐射加固和产品质量等级低 随着我国空间技术的不断发展，对电子元器件耐受γ射线总剂量辐射和单粒子效应等能力提出的更高要求。如γ总剂量要求达到1×105～1×106rad(Si)等，国外此方面已经很成熟，可以批量供货，但对我国禁运，国内尚有较大差距。 拒不完全统计，美国有固体继电器厂商12家，其中4家可以提供符合MIL-PRF-38534的K级要求的固体继电器产品，还有1家可以提供部分满足MIL-PRF-38534的K级要求的固体继电器产品，国内仅科通厂可提供部分满足GJB2438A（等效MIL-PRF-38534）的K级要求的固体继电器产品。 ③ 第四代固体继电器尚待开发  由于SSR可直接由计算机和微电路的TTL甚至CMOS电平激励，易于实现智能化，国外固体继电器公司推出了适用于总线控制、跳闸电流可外部编程的固体功率控制器，和由这种固体功率控制器组成的控制组件。此类固体继电器被称为第四代固体继电器，国内尚在研发中。  ④ 高压大功率固体继电器品种较少     随着电子系统的复杂程度不断提高，功耗大大增加，供电电流进而大幅度提高，为减少供电损耗，电子系统正在向高压供电转移，如航空电源由28V转向270V供电等，因此需要高压大功率系列继电器产品进行控制。固体继电器在扩充电压范围方面较电磁继电器有一定优势，但国内尚没有系列产品供货。 ⑤ 应用总量低  国外固体继电器已占继电器应用销售收入总量的16%，国内约为2.7%，其中军用固体继电器国外已达30%，国内仅为11%。  ⑥ 企业规模小     截止“十一五”末，国内军用和民用固体继电器均没有固体继电器销售收入超过6000万元的企业，力量分散，不利于技术的提升和生产规模、出口能力的扩大。 ⑦ 市场竞争力差 在民用市场，国外很多著名公司的生产基地已进入国内，虽利润空间不断减小，但市场规模的不断扩大，可弥补这一降低，这也是大部分国内固体继电器企业正在不断扩大规模的原因。 军用市场由于国外对的高端产品的禁运，国内厂商竞争优势较明显，因科技含量较高，利润空间较大，但市场总量远小于民用市场。 3、有何经验 ① 技术创新 光-MOS固体继电器是市场最为看好的固体继电器产品，国际著名公司的产品均有近百种之多，但普遍采用塑封形式，仅有个别单路产品采用陶瓷封装，对可靠性要求较高的应用领域，则很难大量应用。北京科通借鉴国外陶瓷封装的结构设计思路，根据国外塑封产品的电路形式和接线方式，开发出30多个品种的陶瓷封装光-MOS固体继电器，基本覆盖光-MOS固体继电器所有应用形式，包括常开输出、常闭输出，单路、双路、4路等，在军用等应用领域取得很好的经济效果，其中部分产品已应用于航天重点工程，质量等级达到了K1级。该项技术创新已获国家实用新型专利。 ② 跨领域技术发展 大功率固体继电器研发基础上，不断提升功率器件连接工艺水平，通过与国外知名功率半导体公司合作，同时引进多台国际水平的功率芯片连接设备，如全自动粗铝丝键合机、真空烧结炉等，功率器件连接技术水平处于较高地位，借此开发出IGBT模块、IPDM模块等，拓展新的应用市场，也带动了大功率固体继电器技术的发展，现已成为山东省电力电子技术研发中心。

 （二）十二五面临的形势

 1、技术发展趋势 在我国固体继电器的应用正处于迅速扩展的形势，但尚需一个过程，估计在军用、自动测试、工业自动化控制等领域会在二十年内可能会逐步上升到这些领域用继电器的主导地位。当前在我国固体继电器系列尚相当不完整的情况下，应大力发展塑封光-MOS固体继电器、总线控制智能化固体继电器、微型表面安装固体继电器、高压大功率固体继电器等。 

（1）塑封光-MOS固体继电器 低接通电阻、低漏电流、高灵敏、高速开关、多路输入输出等多种类型的双列（DIP、SMT、SOP）和单列（SIL）引出结构的塑封光-MOS固体继电器应用市场非常广阔，特别是自动测试和通信领域有很大的需求市场。

 （2）总线控制固体功率控制器及其组件 总线控制的固体功率控制器（SSPC）以ASIC（专用集成电路）为核心，采用低导通电阻MOSFET为输出控制器件，同时内含逻辑控制的接口电路、偏置功率电路、信号及偏置功率耦合电路和输出电流的取样电路。这些固体功率控制器的控制逻辑，可由CAN或1553B总线给出，也可由控制计算机的数据通讯协议接口(RS232或USB)给出，同时进行状态反馈。跳闸电流的外部编程可通过并联电阻电容、外加电压、计算机通讯协议接口或总线控制等不同形式实现。 

（3）微型表面安装固体继电器 采用MCM-C，即多层陶瓷基板的MCM，非常适合固体继电器的功率密度提高和小型化。多层陶瓷基板中低温共烧陶瓷基板使用最多，其布线的线宽和布线节距从254微米直到75微米。应大力推广采用MCM-C无引线封装的中小功率固体继电器，外形尺寸将至少可以降低1/2。进而向SOC（系统级芯片）和SOP（系统级封装）发展，是固体继电器技术的长远方向。 

（4）高压大功率固体继电器 随着陶瓷绝缘子、内置金属化氧化铍基板的金属一体化外壳技术日趋成熟，高压大功率固体继电器将得到迅速发展。可以使用纯铜引线，解决了金属玻璃绝缘引线电阻较大的问题，氧化铍绝缘基板提供了高效导热通路。而目前大功率固体继电器的主要技术难点就是上述两个问题，可以说陶瓷绝缘子、金属化氧化铍基板一体化外壳为高压大功率固体继电器的发展打开了希望之门。

 2、市场分析 固体继电器目前主要应用于军用高性能、工业自动化、家电领域，在通讯、测试和汽车领域也有应用。随着全球自动化技术的发展及固体继电器价格的下降，固体继电器的需求量会继续增加。预计增长最快的固体继电器市场是运输车辆，最大的市场是工业自动化，而应用扩展最快的是自动测试设备。 2010年固体继电器销售额将达到8.57亿美元，销售量将达到1.01亿只，2013年将达到11.72亿美元，销售量达到1.46亿只。固体继电器出口潜力很大。

 3、固体继电器面临的发展机遇和挑战 国内更加注重技术创新，促使电子系统的技术进步，以及持续发展的我国巨大的、多层次的市场，为产业提供极为有利的发展空间；不断发展的国际固体继电器市场，也对固体继电器行业的发展有拉动作用。 从长远来看，系统中微处理器、功率器件、可编程控制器的应用和MEMS技术的发展，可能影响着继电器市场的扩展，但近5年内不会对固体继电器产生明显影响。  

三、发展思路 在十二五期间，通过技术推广，重点放在应用扩展，并积极推进技术创新、模式创新、制度创新，产用学研大力协同，银企积极合作，资源整合优化，重点突破，形成有国际竞争力的企业，实现产业群体突围，从而实现我国固体继电器产业的持续较快发展，为电子信息产业转变发展方式和调整产业结构提供支撑，为两化融合、三网融合和物联网建设提供支撑，为绿色经济、经济社会信息化和信息安全提供支撑。

 四、发展目标

 1. 结构调整目标 产业结构：到2015年，固体继电器产业结构进一步得到优化，量大价低的通用产品，引进好设备，提高生产效率，进一步减低成本，扩大生产规模；对于技术含量高的高技术产品，加强技术创新投入力度，提升固体继电器技术水平，紧跟国外技术，满足我国军民用技术装备更新换代的需求。从而培育几家销售收入超亿元的固体继电器研发制造企业，以及有国际竞争力的出口型企业。

 2.技术创新目标 到2015年，固体继电器设计能力大幅提升，第三代光-MOS固体继电器技术已经成熟；第四代总线控制智能固体功率控制器及其组件建立完善的设计、制造和检测技术平台，并可以进行批量生产；高压大功率固体继电器形成系列产品，基本满足市场需求；宇航级固体继电器形成生产、检验能力。

 3. 主要经济指标 到2015年，我国固体继电器产业产量达到8000万只，实现销售收入约10.1亿元，销售收入年均增长率达到25%，约占世界固体继电器市场份额的10%，满足国内80%的市场需求，并具备一定的出口能力，详见表3和表4。 表3：主要经济指标情况 4．本产业到十二五末在电子元件行业中的地位和作用 表4：“十二五” 我国固体继电器产业产量增长情况 

五、“十二五”期间本产业发展的重点门类

 1、光-MOS固体继电器 重点发展塑封光-MOS固体继电器，形成大规模批量生产能力。

 2、大功率智能化固体继电器 具有过流、过热多种保护能力，可以与系统总线进行连接，可编程改变功能的大功率智能化固体继电器，形成批量生产能力。

 3、家电和控制用固体继电器     形成质量和成本具有国际竞争力的大规模通用固体继电器生产能力。 

4、宇航用和高稳定固体继电器     满足航天空间要求的宇航用固体继电器，满足航空、航天特殊要求的高稳定固体继电器等。

 六、投资估算     

作为产业发展重点，采用国家投入、企业投资、国内外融资等多种渠道，“十二五”期间对固体继电器技术改造投入3.8亿元，技术攻关投入0.94亿元，具体情况见下。

 1、光-MOS固体继电器 技术改造2亿元，技术攻关4000万元。

 2、大功率智能化固体继电器 技术改造6000万元，技术攻关1200万元。 

3、家电和控制用固体继电器 技术改造6000万元，技术攻关1200万元。

 4、宇航用和高稳定固体继电器 技术改造6000万元，技术攻关3000万元。

 七、政策措施

 1、无论国内还是国外，固体继电器技术均进入高速发展期，今后五年是我国固体继电器技术能否在国际市场上占有一席之地的关键时期，因此应将固体继电器列入重点发展的新技术、新产品，重点给予支持。

 2、对于列入重点支持的固体继电器新产品，给予减免税收的策略，以刺激固体继电器新产品、新技术的不断涌现。

 3、固体继电器技术发展至今，小规模、低投入的企业已无生存空间，我国应着手建立固体继电器规模化企业，因此应在贷款支持、拨专款支持方面加大力度，迅速形成几个产值在亿元以上的规模化企业，从而确保我国的固体继电器企业具有国际竞争力。