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“十三五”期间,功率半导体产业应有怎样的路线图?

发布时间: 2017-01-12 10:16   作者: 陈炳欣   来源: 中国电子报

  如果说中央处理器(CPU)是一台计算机的心脏,功率半导体就是电机的心脏,它可以实现对电能的高效产生、传输、转换、存储和控制。我国发布《中国制造2025》,勾勒出未来十年产业转型升级的整体方向与发展规划,在此过程中,功率半导体发挥的作用不可替代。
  然而,与集成电路产业相似,我国功率半导体产业的发展水平与国际先进水平也存在着巨大差距。人们常拿我国每年集成电路进口额与石油进行比较,其实如果按比例计算,我国功率半导体的进口替代能力可能更弱。随着“节能减排”、“开发绿色新能源”成为我国长期发展的基本国策,通过“互联网+”推进信息化与工业化深度融合成为既定任务,加快发展功率半导体产业已经成为当务之急。
  针对我国当前功率半导体产业发展状况以及2016年~2020年以功率半导体为核心的电力电子产业发展重点,中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟、中国IGBT技术创新与产业联盟、中国电器工业协会电力电子分会、北京电力电子学会共同发布《电力电子器件产业发展蓝皮书》(以下简称《蓝皮书》)。《蓝皮书》指出,电力电子器件产业主要是核心的电力电子芯片和封装的生产,但也离不开半导体和电子材料、关键零部件、制造设备、检测设备等产业的支撑,其发展既需要上游基础的材料产业的支持,又需要下游装置产业的拉动。
  做强功率半导体,推进《中国制造2025》
  作为半导体产业的一大分支,与集成电路相仿,功率半导体的作用同样巨大。《蓝皮书》指出,电力电子器件是采用半导体材料制造、用于实现电能高效转换的开关控制电子器件,包括功率半导体分立器件、模块和组件等。它们是实现对电能高效产生、传输、转换、存储和控制,提高能源利用效率、开发可再生能源,推动国民经济可持续发展的基础。
  近年来,“节能减排”、“开发绿色新能源”已成为我国长期发展的基本国策。在我国绿色能源产业发展的推动下,功率半导体已经成为建设节约型社会、促进国民经济发展、践行创新驱动发展战略的重要支撑。此外,功率半导体不仅涉及电力电子器件、电力电子装置、系统控制及其在各个行业的应用,还涉及相关的半导体材料、电工材料、关键结构件、散热装置、生产设备、检测设备等产业,产业链长、产业带动作用巨大,在推进实施《中国制造2025》规划中具有重大意义,对深入推进制造业结构调整和企业技术改造,实施中国制造强国建设“三步走”的发展战略提供强大的支撑。
  正是由于电力电子器件的巨大作用,已经形成一个庞大的市场需求和产业规模。《蓝皮书》数据显示,2013年国际电力电子器件市场容量已接近1千亿美元,而且市场年平均增长速度在15%左右。“十二五”以来,我国电力电子器件市场在全球市场中所占份额就越来越大,已成为全球最大的大功率电力电子器件需求市场。我国市场的增长速度高于全球水平,年增长率近20%。
  国际大厂主导产业,中国功率半导体亟需做强
  《蓝皮书》同时指出,虽然功率半导体产业极具重要性,且规模庞大,但是主要供应商集中在美国、日本和欧洲。美国是电力电子器件的发源地,在全球电力电子器件市场中占有重要地位,主要器件企业有通用电气(GE)、ON Semi等。从上世纪90年代开始,日本成为国际上电力电子器件产业的发达地区,主要器件企业有东芝、富士和三菱等。欧洲也是全球电力电子器件产业的发达地区,主要企业有英飞凌、ABB、Semikron等。国际上SiC电力电子器件的主要供应商有Wolfspeed、英飞凌、罗姆、东芝、富士和三菱等公司;国际上GaN电力电子器件的主要企业有英飞凌、松下、富士通、三星、Transphom、GaN System、EPC、Avogy等。
  从技术角度看,在超大功率(电压3.3kV以上、容量1~45MW)领域。目前,国际上6英寸8.5kV/5kA晶闸管已商品化。瑞士ABB等公司开发了非对称型、逆导型和逆阻型IGCT的产品,研发水平已达到9kV/6kA,商业化产品有4.5kV和6kV两种系列,其中6.5kV/6kA的IGCT产品已经开始供应市场。
  在中大功率领域(电压1200V~6.5kV),IGBT是市场上的主流产品。IGBT器件(包括大功率模块、智能功率模块)已经涵盖了300V~6.5kV的电压和2A~3600A的电流。近年来,以德国英飞凌,瑞士ABB,日本三菱、东芝和富士等为代表的电力电子器件企业开发了先进的IGBT技术和产品,占全球每年约50亿美元的市场,带动了高达几百亿美元的电力电子设备市场。
  SiC是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料,已经形成了全球的材料、器件和应用产业链。GaN是另一种重要的宽禁带半导体材料。它具有独特的异质结构和二维电子气,在此基础上研制的高电子迁移率晶体管(HEMT)是一种平面型器件,可以实现低导通电阻、高开关速度的优良特性。以SiC和GaN材料为代表的宽禁带半导体材料和器件产业已成为高科技领域中的战略性产业,国际领先企业已经开始部署市场,全球新一轮的产业升级已经开始。
  在专利方面,2001~2010年间,全球电力电子器件行业专利申请量处于稳步增长阶段,每年的全球专利申请量都在1500项左右,器件类型以MOSFET和IGBT为主,申请量占比达到67%。国际上电力电子器件的专利集中于国际大型公司,全球专利申请量居前5位的分别是东芝、NEC、日立、三菱、富士,均是日本公司,欧洲和美国的GE、英飞凌、西门子、ABB等欧美企业也在该领域申请了大量专利。
  综合而言,我国宽禁带电力电子器件技术和产业水平还落后于国际先进水平。以IGBT为例,我国IGBT芯片的进口率居高不下,主要市场仍然被国外企业所主导,严重阻碍了我国独立自主IGBT器件产业的健康发展。
  打造完整产业链,制订技术路线图
  2013年,我国的电力电子器件市场总额近2000亿元,由此直接带动的电力电子装置产业的市场超过2万亿元。中国电器工业协会电力电子分会预测,随着新能源革命的推动,我国电力电子器件产业将迎来10~20年的黄金发展期,将保持较高的增长态势,并在投资增量需求与节能环境需求的双重推动,以及下游电力电子装置行业需求高速发展的拉动下,我国电力电子器件市场到2020年预计将超过5000亿元。在此情况下,发展自主安全可控的功率半导体产业是当务之急。
  对此,《蓝皮书》指出,电力电子器件产业主要是核心的电力电子芯片和封装的生产,但也离不开半导体和电子材料、关键零部件、制造设备、检测设备等产业的支撑,其发展既需要上游基础的材料产业的支持,又需要下游装置产业的拉动,其产业发展具有投资大、周期较长的特点。
  “十三五”期间,我国功率半导体为重点的电力电子产业应当以什么样的一幅路线图进行发展?《蓝皮书》建议,2016~2020年,在以下技术和产业进行重点布局,并制定关键材料和关键器件的相关技术标准。其中,近期发展目标可制订为:在硅基电力电子器件用8英寸高阻区熔中照硅单晶圆片,IGBT封装用平板全压接多台架精密陶瓷结构件、氮化铝覆铜板、铝-碳化硅散热基板,6英寸碳化硅单晶及外延材料,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耐高温(>300ºC)封装材料等关键材料方面形成生产能力;关键电力电子器件方面,硅基IGBT芯片、模块以及硅基MOSFET、FRD的国内市场占有率达到一定的份额,形成中低压SiC功率二极管、JFET和MOSFET以及低压GaN功率器件等器件生产能力,开发相应功率模块。2020年发展目标为:在关键材料方面,形成硅基电力电子器件所需全部材料、碳化硅6英寸单晶和厚外延材料、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电力电子器件所需高温(>300ºC)封装材料等的生产能力,并建立相应标准体系和专利保护机制;在关键电力电子器件方面,硅基IGBT、MOSFET、FRD形成系列化产品,综合性能达到国际先进水平,SiC二极管、晶体管及其模块产品和GaN器件产品具有国际竞争力。

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