技術(shù)路線圖指導 做強中國功率半導體
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(xiàn)對電能的高效產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲和控制。我國發(fā)布《中國制造2025》,勾勒出未來十年產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的整體方向與發(fā)展規(guī)劃,在此過程中,功率半導體發(fā)揮的作用不可替代。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201701/342851.htm然而,與集成電路產(chǎn)業(yè)相似,我國功率半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)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(jié)能減排”、“開發(fā)綠色新能源”成為我國長期發(fā)展的基本國策,通過“互聯(lián)網(wǎng)+”推進信息化與工業(yè)化深度融合成為既定任務,加快發(fā)展功率半導體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為當務之急。
針對我國當前功率半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況以及2016年~2020年以功率半導體為核心的電力電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點,中國寬禁帶功率半導體及應用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國IGBT技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國電器工業(yè)協(xié)會電力電子分會、北京電力電子學會共同發(fā)布《電力電子器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍皮書》(以下簡稱《藍皮書》)。《藍皮書》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),但也離不開半導體和電子材料、關鍵零部件、制造設備、檢測設備等產(chǎn)業(yè)的支撐,其發(fā)展既需要上游基礎的材料產(chǎn)業(yè)的支持,又需要下游裝置產(chǎn)業(yè)的拉動。
做強功率半導體,推進《中國制造2025》
作為半導體產(chǎn)業(yè)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(xiàn)電能高效轉(zhuǎn)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(xiàn)對電能高效產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲和控制,提高能源利用效率、開發(fā)可再生能源,推動國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的基礎。
近年來,“節(jié)能減排”、“開發(fā)綠色新能源”已成為我國長期發(fā)展的基本國策。在我國綠色能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動下,功率半導體已經(jīng)成為建設節(jié)約型社會、促進國民經(jīng)濟發(fā)展、踐行創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)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(tǒng)控制及其在各個行業(yè)的應用,還涉及相關的半導體材料、電工材料、關鍵結(jié)構(gòu)件、散熱裝置、生產(chǎn)設備、檢測設備等產(chǎn)業(yè),產(chǎn)業(yè)鏈長、產(chǎn)業(yè)帶動作用巨大,在推進實施《中國制造2025》規(guī)劃中具有重大意義,對深入推進制造業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和企業(yè)技術(shù)改造,實施中國制造強國建設“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)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(jīng)形成一個龐大的市場需求和產(chǎn)業(yè)規(guī)模。《藍皮書》數(shù)據(jù)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?!笆濉币詠恚覈娏﹄娮悠骷袌鲈谌蚴袌鲋兴挤蓊~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(chǎn)業(yè),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(chǎn)業(yè)極具重要性,且規(guī)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(fā)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(yè)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(chǎn)業(yè)的發(fā)達地區(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)達地區(qū),主要企業(yè)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(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(fā)了非對稱型、逆導型和逆阻型IGCT的產(chǎn)品,研發(fā)水平已達到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)開始供應市場。
在中大功率領域(電壓1200V~6.5kV),IGBT是市場上的主流產(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,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(yè)開發(fā)了先進的IGBT技術(shù)和產(chǎn)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(fā)展最成熟的寬禁帶半導體材料,已經(jīng)形成了全球的材料、器件和應用產(chǎn)業(yè)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(zhì)結(jié)構(gòu)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(xiàn)低導通電阻、高開關速度的優(yōu)良特性。以SiC和GaN材料為代表的寬禁帶半導體材料和器件產(chǎn)業(yè)已成為高科技領域中的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè),國際領先企業(yè)已經(jīng)開始部署市場,全球新一輪的產(chǎn)業(yè)升級已經(jīng)開始。
在專利方面,2001~2010年間,全球電力電子器件行業(yè)專利申請量處于穩(wěn)步增長階段,每年的全球?qū)@暾埩慷荚?500項左右,器件類型以MOSFET和IGBT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?qū)@暾埩烤忧?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(yè)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(shù)和產(chǎn)業(yè)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(yè)所主導,嚴重阻礙了我國獨立自主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(chǎn)業(yè)的市場超過2萬億元。中國電器工業(yè)協(xié)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(chǎn)業(yè)將迎來10~20年的黃金發(fā)展期,將保持較高的增長態(tài)勢,并在投資增量需求與節(jié)能環(huán)境需求的雙重推動,以及下游電力電子裝置行業(yè)需求高速發(fā)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(fā)展自主安全可控的功率半導體產(chǎn)業(yè)是當務之急。
對此,《藍皮書》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),但也離不開半導體和電子材料、關鍵零部件、制造設備、檢測設備等產(chǎn)業(yè)的支撐,其發(fā)展既需要上游基礎的材料產(chǎn)業(yè)的支持,又需要下游裝置產(chǎn)業(yè)的拉動,其產(chǎn)業(yè)發(fā)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(chǎn)業(yè)應當以什么樣的一幅路線圖進行發(fā)展?《藍皮書》建議,2016~2020年,在以下技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進行重點布局,并制定關鍵材料和關鍵器件的相關技術(shù)標準。其中,近期發(fā)展目標可制訂為: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(>300?C)封裝材料等關鍵材料方面形成生產(chǎn)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(nèi)市場占有率達到一定的份額,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,開發(fā)相應功率模塊。2020年發(fā)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、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(>300?C)封裝材料等的生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品和GaN器件產(chǎn)品具有國際競爭力。
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