國(guó)際大廠(chǎng)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，中國(guó)功率半導(dǎo)體亟需做強(qiáng)

 如果說(shuō)中央處理器(CPU)是一臺(tái)計(jì)算機(jī)的心臟，功率半導(dǎo)體 就是電機(jī)的心臟，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的高效產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和控制。我國(guó)發(fā)布《中國(guó)制造2025》，勾勒出未來(lái)十年產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的整體方向與發(fā)展規(guī)劃，在此過(guò)程中，功率半導(dǎo)體發(fā)揮的作用不可替代。

然而，與集成電路產(chǎn)業(yè)相似，我國(guó)功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平與國(guó)際先進(jìn)水平也存在著巨大差距。人們常拿我國(guó)每年集成電路進(jìn)口額與石油進(jìn)行比較，其實(shí)如果按比例計(jì)算，我國(guó)功率半導(dǎo)體的進(jìn)口替代能力可能更弱。隨著“節(jié)能減排”、“開(kāi)發(fā)綠色新能源”成為我國(guó)長(zhǎng)期發(fā)展的基本國(guó)策，通過(guò)“互聯(lián)網(wǎng)+”推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合成為既定任務(wù)，加快發(fā)展功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。

針對(duì)我國(guó)當(dāng)前功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r以及2016年~2020年以功率半導(dǎo)體為核心的電力電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)，中國(guó)寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國(guó)IGBT技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)電力電子分會(huì)、北京電力電子學(xué)會(huì)共同發(fā)布《電力電子器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍(lán)皮書(shū)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《藍(lán)皮書(shū)》)?！端{(lán)皮書(shū)》指出，電力電子器件產(chǎn)業(yè)主要是核心的電力電子芯片和封裝的生產(chǎn)，但也離不開(kāi)半導(dǎo)體和電子材料、關(guān)鍵零部件、制造設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備等產(chǎn)業(yè)的支撐，其發(fā)展既需要上游基礎(chǔ)的材料產(chǎn)業(yè)的支持，又需要下游裝置產(chǎn)業(yè)的拉動(dòng)。

做強(qiáng)功率半導(dǎo)體，推進(jìn)《中國(guó)制造2025》

作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一大分支，與集成電路相仿，功率半導(dǎo)體的作用同樣巨大。《藍(lán)皮書(shū)》指出，電力電子器件是采用半導(dǎo)體材料制造、用于實(shí)現(xiàn)電能高效轉(zhuǎn)換的開(kāi)關(guān)控制電子器件，包括功率半導(dǎo)體分立器件、模塊和組件等。它們是實(shí)現(xiàn)對(duì)電能高效產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和控制，提高能源利用效率、開(kāi)發(fā)可再生能源，推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

近年來(lái)，“節(jié)能減排”、“開(kāi)發(fā)綠色新能源”已成為我國(guó)長(zhǎng)期發(fā)展的基本國(guó)策。在我國(guó)綠色能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動(dòng)下，功率半導(dǎo)體已經(jīng)成為建設(shè)節(jié)約型社會(huì)、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、踐行創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的重要支撐。此外，功率半導(dǎo)體不僅涉及電力電子器件、電力電子裝置、系統(tǒng)控制及其在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用，還涉及相關(guān)的半導(dǎo)體材料、電工材料、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件、散熱裝置、生產(chǎn)設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備等產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)、產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)作用巨大，在推進(jìn)實(shí)施《中國(guó)制造2025》規(guī)劃中具有重大意義，對(duì)深入推進(jìn)制造業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和企業(yè)技術(shù)改造，實(shí)施中國(guó)制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略提供強(qiáng)大的支撐。

正是由于電力電子器件的巨大作用，已經(jīng)形成一個(gè)龐大的市場(chǎng)需求和產(chǎn)業(yè)規(guī)模?！端{(lán)皮書(shū)》數(shù)據(jù)顯示，2013年國(guó)際電力電子器件市場(chǎng)容量已接近1千億美元，而且市場(chǎng)年平均增長(zhǎng)速度在15%左右。“十二五”以來(lái)，我國(guó)電力電子器件市場(chǎng)在全球市場(chǎng)中所占份額就越來(lái)越大，已成為全球最大的大功率電力電子器件需求市場(chǎng)。我國(guó)市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度高于全球水平，年增長(zhǎng)率近20%。

國(guó)際大廠(chǎng)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，中國(guó)功率半導(dǎo)體亟需做強(qiáng)

《藍(lán)皮書(shū)》同時(shí)指出，雖然功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)極具重要性，且規(guī)模龐大，但是主要供應(yīng)商集中在美國(guó)、日本和歐洲。美國(guó)是電力電子器件的發(fā)源地，在全球電力電子器件市場(chǎng)中占有重要地位，主要器件企業(yè)有通用電氣(GE)、ON Semi等。從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，日本成為國(guó)際上電力電子器件產(chǎn)業(yè)的發(fā)達(dá)地區(qū)，主要器件企業(yè)有東芝、富士和三菱等。歐洲也是全球電力電子器件產(chǎn)業(yè)的發(fā)達(dá)地區(qū)，主要企業(yè)有英飛凌、ABB、Semikron等。國(guó)際上SiC電力電子器件的主要供應(yīng)商有Wolfspeed、英飛凌、羅姆、東芝、富士和三菱等公司;國(guó)際上GaN電力電子器件的主要企業(yè)有英飛凌、松下、富士通、三星、Transphom、GaN System、EPC、Avogy等。

從技術(shù)角度看，在超大功率(電壓3.3kV以上、容量1～45MW)領(lǐng)域。目前，國(guó)際上6英寸8.5kV/5kA晶閘管已商品化。瑞士ABB等公司開(kāi)發(fā)了非對(duì)稱(chēng)型、逆導(dǎo)型和逆阻型IGCT的產(chǎn)品，研發(fā)水平已達(dá)到9kV/6kA，商業(yè)化產(chǎn)品有4.5kV和6kV兩種系列，其中6.5kV/6kA的IGCT產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始供應(yīng)市場(chǎng)。

在中大功率領(lǐng)域(電壓1200V～6.5kV)，IGBT是市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。IGBT器件(包括大功率模塊、智能功率模塊)已經(jīng)涵蓋了300V～6.5kV的電壓和2A～3600A的電流。近年來(lái)，以德國(guó)英飛凌，瑞士ABB，日本三菱、東芝和富士等為代表的電力電子器件企業(yè)開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的IGBT技術(shù)和產(chǎn)品，占全球每年約50億美元的市場(chǎng)，帶動(dòng)了高達(dá)幾百億美元的電力電子設(shè)備市場(chǎng)。

SiC是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，已經(jīng)形成了全球的材料、器件和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈。GaN是另一種重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料。它具有獨(dú)特的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和二維電子氣，在此基礎(chǔ)上研制的高電子遷移率晶體管(HEMT)是一種平面型器件，可以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高開(kāi)關(guān)速度的優(yōu)良特性。以SiC和GaN材料為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件產(chǎn)業(yè)已成為高科技領(lǐng)域中的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，國(guó)際領(lǐng)先企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始部署市場(chǎng)，全球新一輪的產(chǎn)業(yè)升級(jí)已經(jīng)開(kāi)始。

在專(zhuān)利方面，2001～2010年間，全球電力電子器件行業(yè)專(zhuān)利申請(qǐng)量處于穩(wěn)步增長(zhǎng)階段，每年的全球?qū)＠暾?qǐng)量都在1500項(xiàng)左右，器件類(lèi)型以MOSFET和IGBT為主，申請(qǐng)量占比達(dá)到 67%。國(guó)際上電力電子器件的專(zhuān)利集中于國(guó)際大型公司，全球?qū)＠暾?qǐng)量居前5位的分別是東芝、NEC、日立、三菱、富士，均是日本公司，歐洲和美國(guó)的GE、英飛凌、西門(mén)子、ABB等歐美企業(yè)也在該領(lǐng)域申請(qǐng)了大量專(zhuān)利。

綜合而言，我國(guó)寬禁帶電力電子器件技術(shù)和產(chǎn)業(yè)水平還落后于國(guó)際先進(jìn)水平。以IGBT為例，我國(guó)IGBT芯片的進(jìn)口率居高不下，主要市場(chǎng)仍然被國(guó)外企業(yè)所主導(dǎo)，嚴(yán)重阻礙了我國(guó)獨(dú)立自主IGBT器件產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

打造完整產(chǎn)業(yè)鏈，制訂技術(shù)路線(xiàn)圖

2013年，我國(guó)的電力電子器件市場(chǎng)總額近2000億元，由此直接帶動(dòng)的電力電子裝置產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)超過(guò)2萬(wàn)億元。中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)電力電子分會(huì)預(yù)測(cè)，隨著新能源革命的推動(dòng)，我國(guó)電力電子器件產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)10～20年的黃金發(fā)展期，將保持較高的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，并在投資增量需求與節(jié)能環(huán)境需求的雙重推動(dòng)，以及下游電力電子裝置行業(yè)需求高速發(fā)展的拉動(dòng)下，我國(guó)電力電子器件市場(chǎng)到2020年預(yù)計(jì)將超過(guò)5000億元。在此情況下，發(fā)展自主安全可控的功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是當(dāng)務(wù)之急。

對(duì)此，《藍(lán)皮書(shū)》指出，電力電子器件產(chǎn)業(yè)主要是核心的電力電子芯片和封裝的生產(chǎn)，但也離不開(kāi)半導(dǎo)體和電子材料、關(guān)鍵零部件、制造設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備等產(chǎn)業(yè)的支撐，其發(fā)展既需要上游基礎(chǔ)的材料產(chǎn)業(yè)的支持，又需要下游裝置產(chǎn)業(yè)的拉動(dòng)，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有投資大、周期較長(zhǎng)的特點(diǎn)。

“十三五”期間，我國(guó)功率半導(dǎo)體為重點(diǎn)的電力電子產(chǎn)業(yè)應(yīng)當(dāng)以什么樣的一幅路線(xiàn)圖進(jìn)行發(fā)展?《藍(lán)皮書(shū)》建議，2016～2020年，在以下技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)布局，并制定關(guān)鍵材料和關(guān)鍵器件的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其中，近期發(fā)展目標(biāo)可制訂為：在硅基電力電子器件用8英寸高阻區(qū)熔中照硅單晶圓片，IGBT封裝用平板全壓接多臺(tái)架精密陶瓷結(jié)構(gòu)件、氮化鋁覆銅板、鋁-碳化硅散熱基板，6英寸碳化硅單晶及外延材料，6英寸～8英寸硅基GaN外延材料和4～6英寸碳化硅基GaN外延材料、SiC和GaN耐高溫(>300oC)封裝材料等關(guān)鍵材料方面形成生產(chǎn)能力;關(guān)鍵電力電子器件方面，硅基IGBT芯片、模塊以及硅基MOSFET、FRD的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)到一定的份額，形成中低壓 SiC功率二極管、JFET和MOSFET以及低壓GaN功率器件等器件生產(chǎn)能力，開(kāi)發(fā)相應(yīng)功率模塊。2020年發(fā)展目標(biāo)為：在關(guān)鍵材料方面，形成硅基電力電子器件所需全部材料、碳化硅6英寸單晶和厚外延材料、6～8英寸硅基GaN外延材料和4～6英寸碳化硅基GaN外延材料、SiC和GaN電力電子器件所需高溫(>300oC)封裝材料等的生產(chǎn)能力，并建立相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)體系和專(zhuān)利保護(hù)機(jī)制;在關(guān)鍵電力電子器件方面，硅基IGBT、MOSFET、FRD形成系列化產(chǎn)品，綜合性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，SiC二極管、晶體管及其模塊產(chǎn)品和GaN器件產(chǎn)品具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。