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中文版 / ENGLISH

“十三五”期間,功率半導體產業應有怎樣的路線圖?

發布時間:2019-03-08
如果說中央處理器(CPU)是一臺計算機的心臟,功率半導體就是電機的心臟,它可以實現對電能的高效產生、傳輸、轉換、存儲和控制。我國發布《中國制造2025》,勾勒出未來十年產業轉型升級的整體方向與發展規劃,在此過程中,功率半導體發揮的作用不可替代。

如果說中央處理器(CPU)是一臺計算機的心臟,功率半導體就是電機的心臟,它可以實現對電能的高效產生、傳輸、轉換、存儲和控制。我國發布《中國制造2025》,勾勒出未來十年產業轉型升級的整體方向與發展規劃,在此過程中,功率半導體發揮的作用不可替代。

然而,與集成電路產業相似,我國功率半導體產業的發展水平與國際先進水平也存在著巨大差距。人們常拿我國每年集成電路進口額與石油進行比較,其實如果按比例計算,我國功率半導體的進口替代能力可能更弱。隨著節能減排、開發綠色新能源成為我國長期發展的基本國策,通過互聯網+”推進信息化與工業化深度融合成為既定任務,加快發展功率半導體產業已經成為當務之急。

針對我國當前功率半導體產業發展狀況以及2016~2020年以功率半導體為核心的電力電子產業發展重點,中國寬禁帶功率半導體及應用產業聯盟、中國IGBT技術創新與產業聯盟、中國電器工業協會電力電子分會、北京電力電子學會共同發布《電力電子器件產業發展藍皮書》(以下簡稱《藍皮書》)?!端{皮書》指出,電力電子器件產業主要是核心的電力電子芯片和封裝的生產,但也離不開半導體和電子材料、關鍵零部件、制造設備、檢測設備等產業的支撐,其發展既需要上游基礎的材料產業的支持,又需要下游裝置產業的拉動。

做強功率半導體,推進《中國制造2025

作為半導體產業的一大分支,與集成電路相仿,功率半導體的作用同樣巨大?!端{皮書》指出,電力電子器件是采用半導體材料制造、用于實現電能高效轉換的開關控制電子器件,包括功率半導體分立器件、模塊和組件等。它們是實現對電能高效產生、傳輸、轉換、存儲和控制,提高能源利用效率、開發可再生能源,推動國民經濟可持續發展的基礎。

近年來,節能減排、開發綠色新能源已成為我國長期發展的基本國策。在我國綠色能源產業發展的推動下,功率半導體已經成為建設節約型社會、促進國民經濟發展、踐行創新驅動發展戰略的重要支撐。此外,功率半導體不僅涉及電力電子器件、電力電子裝置、系統控制及其在各個行業的應用,還涉及相關的半導體材料、電工材料、關鍵結構件、散熱裝置、生產設備、檢測設備等產業,產業鏈長、產業帶動作用巨大,在推進實施《中國制造2025》規劃中具有重大意義,對深入推進制造業結構調整和企業技術改造,實施中國制造強國建設三步走的發展戰略提供強大的支撐。

正是由于電力電子器件的巨大作用,已經形成一個龐大的市場需求和產業規模?!端{皮書》數據顯示,2013年國際電力電子器件市場容量已接近1千億美元,而且市場年平均增長速度在15%左右。十二五以來,我國電力電子器件市場在全球市場中所占份額就越來越大,已成為全球最大的大功率電力電子器件需求市場。我國市場的增長速度高于全球水平,年增長率近20%。

國際大廠主導產業,中國功率半導體亟需做強

《藍皮書》同時指出,雖然功率半導體產業極具重要性,且規模龐大,但是主要供應商集中在美國、日本和歐洲。美國是電力電子器件的發源地,在全球電力電子器件市場中占有重要地位,主要器件企業有通用電氣(GE)、ON Semi等。從上世紀90年代開始,日本成為國際上電力電子器件產業的發達地區,主要器件企業有東芝、富士和三菱等。歐洲也是全球電力電子器件產業的發達地區,主要企業有英飛凌、ABB、Semikron等。國際上SiC電力電子器件的主要供應商有Wolfspeed、英飛凌、羅姆、東芝、富士和三菱等公司;國際上GaN電力電子器件的主要企業有英飛凌、松下、富士通、三星、Transphom、GaN System、EPC、Avogy等。

從技術角度看,在超大功率(電壓3.3kV以上、容量145MW)領域。目前,國際上6英寸8.5kV/5kA晶閘管已商品化。瑞士ABB等公司開發了非對稱型、逆導型和逆阻型IGCT的產品,研發水平已達到9kV/6kA,商業化產品有4.5kV6kV兩種系列,其中6.5kV/6kAIGCT產品已經開始供應市場。

在中大功率領域(電壓1200V6.5kV),IGBT是市場上的主流產品。IGBT器件(包括大功率模塊、智能功率模塊)已經涵蓋了300V6.5kV的電壓和2A3600A的電流。近年來,以德國英飛凌,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開發了先進的IGBT技術和產品,占全球每年約50億美元的市場,帶動了高達幾百億美元的電力電子設備市場。

SiC是目前發展最成熟的寬禁帶半導體材料,已經形成了全球的材料、器件和應用產業鏈。GaN是另一種重要的寬禁帶半導體材料。它具有獨特的異質結構和二維電子氣,在此基礎上研制的高電子遷移率晶體管(HEMT)是一種平面型器件,可以實現低導通電阻、高開關速度的優良特性。以SiCGaN材料為代表的寬禁帶半導體材料和器件產業已成為高科技領域中的戰略性產業,國際領先企業已經開始部署市場,全球新一輪的產業升級已經開始。

在專利方面,20012010年間,全球電力電子器件行業專利申請量處于穩步增長階段,每年的全球專利申請量都在1500項左右,器件類型以MOSFETIGBT為主,申請量占比達到 67%。國際上電力電子器件的專利集中于國際大型公司,全球專利申請量居前5位的分別是東芝、NEC、日立、三菱、富士,均是日本公司,歐洲和美國的GE、英飛凌、西門子、ABB等歐美企業也在該領域申請了大量專利。

綜合而言,我國寬禁帶電力電子器件技術和產業水平還落后于國際先進水平。以IGBT為例,我國IGBT芯片的進口率居高不下,主要市場仍然被國外企業所主導,嚴重阻礙了我國獨立自主IGBT器件產業的健康發展。

打造完整產業鏈,制訂技術路線圖

2013年,我國的電力電子器件市場總額近2000億元,由此直接帶動的電力電子裝置產業的市場超過2萬億元。中國電器工業協會電力電子分會預測,隨著新能源革命的推動,我國電力電子器件產業將迎來1020年的黃金發展期,將保持較高的增長態勢,并在投資增量需求與節能環境需求的雙重推動,以及下游電力電子裝置行業需求高速發展的拉動下,我國電力電子器件市場到2020年預計將超過5000億元。在此情況下,發展自主安全可控的功率半導體產業是當務之急。

對此,《藍皮書》指出,電力電子器件產業主要是核心的電力電子芯片和封裝的生產,但也離不開半導體和電子材料、關鍵零部件、制造設備、檢測設備等產業的支撐,其發展既需要上游基礎的材料產業的支持,又需要下游裝置產業的拉動,其產業發展具有投資大、周期較長的特點。

十三五期間,我國功率半導體為重點的電力電子產業應當以什么樣的一幅路線圖進行發展?《藍皮書》建議,20162020年,在以下技術和產業進行重點布局,并制定關鍵材料和關鍵器件的相關技術標準。其中,近期發展目標可制訂為:在硅基電力電子器件用8英寸高阻區熔中照硅單晶圓片,IGBT封裝用平板全壓接多臺架精密陶瓷結構件、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46英寸碳化硅基GaN外延材料、SiCGaN耐高溫(>300oC)封裝材料等關鍵材料方面形成生產能力;關鍵電力電子器件方面,硅基IGBT芯片、模塊以及硅基MOSFET、FRD的國內市場占有率達到一定的份額,形成中低壓 SiC功率二極管、JFETMOSFET以及低壓GaN功率器件等器件生產能力,開發相應功率模塊。2020年發展目標為:在關鍵材料方面,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、68英寸硅基GaN外延材料和46英寸碳化硅基GaN外延材料、SiCGaN電力電子器件所需高溫(>300oC)封裝材料等的生產能力,并建立相應標準體系和專利保護機制;在關鍵電力電子器件方面,硅基IGBT、MOSFET、FRD形成系列化產品,綜合性能達到國際先進水平,SiC二極管、晶體管及其模塊產品和GaN器件產品具有國際競爭力。

 


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