如果說中央處理器(CPU)是一臺計算機的心臟，功率半導(dǎo)體就是電機的心臟，以它為核心的電力電子器件可實現(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(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，我國的功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平與國際先進(jìn)水平也存在著巨大的差距。人們常拿我國每年集成電路進(jìn)口額與石油進(jìn)行比較，其實如果按比例計算，我國功率半導(dǎo)體的進(jìn)口替代能力可能更弱。
針對我國當(dāng)前功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r以及2016-2020年電力電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點，中國寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)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(xué)會共同發(fā)布《電力電子器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍(lán)皮書》(以下簡稱《藍(lán)皮書》)。《藍(lán)皮書》指出，電力電子器件產(chǎn)業(yè)的核心是電力電子芯片和封裝的生產(chǎn)，但也離不開半導(dǎo)體和電子材料、關(guān)鍵零部件、制造設(shè)備、檢測設(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。
針對我國當(dāng)前功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r以及2016-2020年電力電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點，中國寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)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(xué)會共同發(fā)布《電力電子器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍(lán)皮書》(以下簡稱《藍(lán)皮書》)。《藍(lán)皮書》指出，電力電子器件產(chǎn)業(yè)的核心是電力電子芯片和封裝的生產(chǎn)，但也離不開半導(dǎo)體和電子材料、關(guān)鍵零部件、制造設(shè)備、檢測設(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。
電力電子影響廣泛，市場容量超千億美元
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》指出，電力電子器件是采用半導(dǎo)體材料制造、用于實現(xiàn)電能高效轉(zhuǎn)換的開關(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)的基礎(chǔ)。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(dǎo)體已經(jīng)成為建設(shè)節(jié)約型社會、促進(jìn)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(dǎo)體不僅涉及到電力電子器件、電力電子裝置、系統(tǒng)控制及其在各個行業(yè)的應(yīng)用等領(lǐng)域，還涉及到相關(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、檢測設(shè)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(jìn)實施《中國制造2025》規(guī)劃中具有重大意義，對深入推進(jìn)制造業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和企業(yè)技術(shù)改造，實施中國制造強國建設(shè)“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，其現(xiàn)在已經(jīng)形成一個龐大的市場需求和產(chǎn)業(yè)規(guī)模。《藍(lán)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。“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(dǎo)產(chǎn)業(yè)，中國功率半導(dǎo)體亟須做強
《藍(lán)皮書》同時指出，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、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的位置，主要器件企業(yè)有通用電氣(GE)、ON Semi等。從上世紀(jì)90年代開始，日本成為國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(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)開始供應(yīng)市場。
在中大功率領(lǐng)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(jìn)的IGBT技術(shù)和產(chǎn)品，占有全球每年約50億美元的市場，帶動了高達(dá)幾百億美元的電力電子設(shè)備市場。
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。它具有獨特的異質(zhì)結(jié)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，可以實現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高開關(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)，國際領(lǐng)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年期間，全球電力電子器件行業(yè)專利申請量處于穩(wěn)步增段，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(dá)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(lǐng)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(jìn)水平。以IGBT為例，我國IGBT芯片的進(jìn)口率居高不下，主要市場仍然被國外企業(yè)所主導(dǎo)，嚴(yán)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，制定技術(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(yù)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(yù)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是當(dāng)務(wù)之急。
對此，《藍(lán)皮書》指出，電力電子器件產(chǎn)業(yè)的核心是電力電子芯片和封裝的生產(chǎn)，但也離不開半導(dǎo)體和電子材料、關(guān)鍵零部件、制造設(shè)備、檢測設(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)支持，又需要下游裝置產(chǎn)業(yè)的拉動。
“十三五”期間，我國功率半導(dǎo)體為重點的電力電子產(chǎn)業(yè)應(yīng)當(dāng)以什么樣的一幅路線圖進(jìn)行發(fā)展?《藍(lán)皮書》建議，2016～2020年在以下技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進(jìn)行重點布局，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，6～8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℃)封裝材料等關(guān)鍵材料方面形成生產(chǎn)能力。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(>300℃)封裝材料等的生產(chǎn)能力，并建立相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)體系和專利保護(hù)機制;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)品具有國際競爭力。
