做強功率半導體產業研究

劉錦江 李 力 歐陽穎卉

（湖南工業職業技術學院，湖南 長沙 410208）

1 引言

利用半導體的單向導電性原理，功率半導體器件可以快速實現電源開關和電力轉換功能[1]，所以又被稱作為電力電子器件，是電力電子裝置實現電能轉換、電路控制的核心器件。其主要產品類型包括功率二極管、肖特基二極管、可控硅晶閘管、功率雙極晶體管、IGBT（絕緣柵晶體管）。功率半導體器件在軌道交通裝備、新能源汽車、工業控制、電網改造等諸多領域有著非常廣泛的應用，發展前景十分廣闊。

2 全球功率半導體產業發展情況

（1）市場增長穩定。IHSResearch數據顯示，2016-2020年全球功率半導體器件市場復合增長率達到4.8%，今年將達到433億美元，中國區將達96.8億美元。較大的市場規模有助于吸引更多投資和企業進入該領域。

（2）產業集中度高。美、歐、日等發達國家對功率半導體的創新研究和產業發展非常重視，從國家層面制定了相應的研究規劃，投入大量人力物力，無論從技術上還是產業規模上都占據領先地位，美、歐、日企業占據全球榜單前五名，市場份額超過50%。比如，美國擁有全球70%～80%具有優異物理性能的SiC功率半導體器件產量，處于領先地位。歐洲擁有意法半導體、ABB、英飛凌、恩智浦、博世等全球知名實力廠商。英飛凌占據全球18.5%功率半導體市場份額，是安森美（排名第二）的兩倍。日本有三菱電機、富士電機、日立、東芝等進入全球十強。

（3）國內奮起直追。我國全面開展了新一代半導體產業的頂層設計和總體規劃，各地出臺新一代半導體產業相關政策多達80余份。搭建了完整產業鏈，在大功率IGBT等細分領域已經處于與世界先進水平并跑和爭奪領跑地位的階段。

（4）國產替代迫切。目前，功率器件國產化率仍在10%左右[2]，尤其是高鐵、智能電網、新能源汽車等中高端領域90%以上的功率半導體器件依賴進口。同時，我國半導體產業的發展受到美國為首的發達國家的持續封鎖打壓，保重點產業鏈供應鏈穩定任務緊迫。

3 湖南發展功率半導體產業其時已至其勢已成

3.1 具備了良好發展氛圍

一是有國家指引。中央高度重視保重點產業鏈供應鏈穩定，全面部署推進國產替代，大力支持半導體材料、芯片、器件及IGBT模塊等創新發展。2020年全國兩會期間，民進、民革等民主黨派中央均就推動我國功率半導體產業發展深入調查研究并專門提交了提案[3]，提出了許多建設性意見建議，為產業發展營造了良好氛圍。二是有湖南共識。湖南省委省政府高度重視半導體產業發展，將IGBT納入全省信創工程產業鏈，省委書記親自聯系，要求堅定不移集全省之力推動IGBT產業做大做強，并大力推動中電科48所與時代半導體開展供應鏈協同。長沙市深耕“三智一自主”領域，積極布局新一代半導體產業。株洲市依托軌道交通裝備領域產業優勢正全力建設功率半導體產業集聚區。懷化市依托武夷芯視界項目大力度切入。三是有政策激勵。湖南省委省政府出臺《關于進一步提升工業新興優勢產業鏈現代化水平的意見》和鼓勵集成電路產業、移動互聯網產業、信息安全產業以及深化制造業與互聯網融合發展的若干政策措施，實施工業企業技術改造稅收增量獎補政策，建立產融合作制造業重點企業名單制度，實施湖南省芙蓉人才行動計劃等，形成了支持功率半導體發展的政策支持體系。

3.2 聚集了一批優秀企業

湖南省功率半導體領域已經集聚了30余家相關企業，其中5～8家為行業領軍企業或細分領域的龍頭企業，呈現了重點支撐、鏈式發展、生態構建的良好格局。一是本土企業深耕厚植。時代半導體掌握了整套具有自主知識產權的IGBT芯片及模塊“設計—工藝—應用”產業化技術，擁有“芯片—模塊—功率單元—整機”完整產業鏈[4]，主要產品占國內軌道交通領域40%、電網領域30%的份額，產品出口多個國家。中電科48所是集成電路裝備的國家隊，是我國唯一以離子注入機為主的集成電路裝備供應商，在6～8英寸功率器件制造裝備上已有成體系布局和成套裝備產品，特別在第三代半導體SiC功率器件制造裝備方面在國內唯一具備高溫高能離子注入機、高溫外延生長、高溫氧化/激活等成套關鍵裝備供應能力的單位。時代新材作為先進封裝材料企業的代表，已形成環氧樹脂、硅凝膠等封裝材料的產能。二是省外龍頭加速入湘。近兩年，比亞迪半導體、泰科天潤、三安光電、山東天岳等行業龍頭布局湖南，湖南省功率半導體產業鏈進一步補齊補強。比亞迪半導體基于新能源汽車積累的技術優勢，成長為國內最大的車規級IGBT廠商，國內市占率18%居第二位[5]。泰科天潤作為國內第三代半導體材料碳化硅器件制造與應用解決方案提供商，是我國碳化硅（SiC）功率器件產業化的倡導者之一[6]。三安光電是國內LED外延片及芯片、化合物半導體材料、功率器件等龍頭企業。山東天岳先進材料科技有限公司可批量供應碳化硅（4H-SiC）襯底產品（全球第四家），掌握了碳化硅半導體材料產業化核心關鍵技術[7]。

3.3 布局了一批重點項目

據了解，湖南省在建和規劃重點項目20余個，其中部分項目投資規模大、技術含量高、帶動能力強。如：時代半導體總投資185億元用于建設IGBT芯片線及其配套封裝線二、三期，預計2023年建成，三期建成后達到60萬片/年、300萬只IGBT中低壓模塊，加上比亞迪半導體年產25萬片8英寸集成電路晶圓項目，湖南將形成以車規級IGBT為代表的新能源汽車電子核心競爭力[8]。三安光電總投資160億，在長沙建設第三代半導體產業園項目，打造從襯底、外延、芯片到器件完整的碳化硅產業鏈，預計2023年建成，將打造具有影響力的第三代半導體材料和器件產業生產基地[9]。天岳碳化硅材料項目總投資30億元，是目前國內在建最大第三代半導體碳化硅材料項目及成套工藝生產線，主要生產碳化硅導電襯底、新能源汽車及充電站裝置等。湖南五夷實業（懷化）五夷芯視界半導體產業園項目（一期），總投資約135億元，計劃建設一座8英寸晶圓制造廠，兩座8/12英寸封裝測試廠，產品包括電源管理芯片、驅動芯片、圖像傳感芯片，將帶動形成集材料生產、芯片設計、晶圓制造、封裝測試等一體半導體生產基地。

3.4 匯聚了一批高端創新資源

創新平臺方面，湖南已經擁有新型功率半導體器件國家重點實驗室、變流技術國家工程研究中心、湖南省功率半導體創新中心、長沙新一代半導體研究院等。中國IGBT技術創新與產業聯盟國際學術論壇，是業內有重要影響的國際化學術平臺，已連續四屆在湖南召開。人才團隊方面，新型功率半導體器件國家重點實驗室學術委員會擁有丁榮軍、郝躍、劉友梅、馬偉明、李立浧、羅安6位中國工程院院士及英國皇家工程院院士Florin Udrea（弗洛林·烏德里亞）。國防科大、中南大學、湖南大學等高校近年來紛紛布局了微電子專業，并積極與相關企業合作共建培養基地。創新成果方面，中車時代電氣牽頭的“高壓大電流IGBT芯片關鍵技術及應用”項目，榮獲2019年內國家技術發明獎二等獎[10]。“汽車IGBT研發與試制能力建設”“寬禁帶半導體電機控制器開發和產業化”等項目納入國家布局。主打產品大功率器件、車規級IGBT、第四代平面柵（高壓產品）、第五代溝槽柵（中低壓產品）在國內處于領先地位；HVDC高壓晶閘管、整流管和IGCT等產品穩居世界前三名；第五代（高壓產品）和第六代（中低壓）IGBT芯片技術，與英飛凌、三菱、富士并駕齊驅。

當然，盡管湖南省功率半導體產業具有較好基礎及優勢，但短板也很突出。一是產業規模偏小。湖南省功率器件產業鏈除中車時代所屬3家上市公司，其它企業規模都不大。據2019年半導體功率器件行業排位，營業收入全球前五的企業，尚無一家在湖南布局。缺乏大型項目，產業帶動效應偏弱。二是應用推廣滯后。除軌道交通和輸變電領域，國內重大工程關鍵裝備用核心器件以進口為主，自主產品市場應用機會、驗證機會偏少，新能源汽車領域時代半導體、比亞迪半導體產品也以內銷為主。三是配套能力不足。產業鏈重點企業需求的關鍵材料、關鍵設備、輔材及特種氣體等，在湖南沒有相關配套企業，大部分需要進口或從長三角等地區采購。四是創新鏈有待打通。應用與技術相對分離，沒能有效結合成為創新聯合體，全產業鏈頂層設計、系統布局、整體實施尚未全面展開。國家級創新平臺與大科城協同、長株潭三市聯動格局、高端人才團隊互認機制尚未建立。湖南地位內陸地區，高技能人才易遭上海、深圳等地爭奪，時代半導體因區位原因招、留高端人才困難。

4 湖南發展功率半導體產業的對策建議

湖南要發展功率半導體產業，就要緊緊抓住全球產業鏈供應鏈體系重構、國內發展“新基建”等重大機遇，堅持產業鏈思維，以龍頭企業為引領、重點項目為抓手、創新平臺為紐帶，鞏固一、二代產品優勢，加速第三代技術產品布局，擴大重點行業應用示范，著力培育產業生態體系，打造具有競爭力的中國功率半導體創新與產業化基地。

4.1 發揮頂層設計引導作用

主動對接國家戰略，爭取更多布局落地湖南。推動國家層面出臺功率半導體享受集成電路稅費優惠政策、積極承接國家重大專項、集成電路基金、轉型升級基金、工業強基的項目支出，引導投融資機構、社會資本加大產業投資支持力度。整合省市資源，全力推進產業鏈龍頭型項目建設。探索設立相當規模的省級功率半導體產業發展基金。高標準科學制定適應湖南特點的功率半導體產業發展專項規劃，通過頂層設計統籌各方資源力量，協調全省功率半導體產業發展。

4.2 發揮龍頭企業引領作用

支持時代半導體持續加大研發和項目投入，通過5～10年努力，成長為與巨頭“并跑”的國際性領軍企業；支持比亞迪半導體發揮全產業鏈和整車制造優勢，加快8寸晶圓生產線項目建設，并創造條件鼓勵企業遷移或擴大制造產能；支持三安光電、泰科天潤、山東天岳（瀏陽）、五夷芯視界等一批重點項目建設，形成優勢企業集聚發展態勢；支持中電科48所、楚微半導體發揮國產化設備技術優勢，吸引國內相關半導體裝備制造企業落地，打造核心制造裝備產業體系。針對強鏈補鏈，引進全球功率半導體龍頭企業在湖南設立區域總部、研發基礎等。

4.3 發揮創新平臺紐帶作用

依托國家重點實驗室、工程研究中心、創新中心等，加大前沿、關鍵、共性技術研發，建設功率半導體設計、試制、檢測中心和公共服務平臺。依托岳麓山大科城，培育孵化和吸引一批功率半導企業。支持長株潭等城市，與中車株洲所、三安光電、比亞迪等龍頭企業合作，打造“政產學研用金”創新應用生態。

4.4 發揮示范應用帶動作用

在軌道交通領域、新能源汽車、5G通信、智能電網、消費電子、家用電器等領域的重點項目示范應用，由相關主管部門牽頭協調產業鏈企業優先參與項目建設。支持下游應用企業采用新型功率半導體產品。每年在全省范圍內擇優評選一批示范應用項目并給予專項獎勵支持。鼓勵相關財政專項在項目建設、創新平臺重大設備采購等資金支持。建立首批次、首臺套獎勵政策。

4.5 發揮國產替代保穩作用

產品只有在應用的過程中不斷更新迭代，才能快速改進。建議針對自主功率半導體產品應用推廣難的問題，在重大工程、重大項目等招標過程中，給予關鍵裝備中自主功率半導體器件不低于50%的采購份額，促進應用市場拓展帶動創新，通過應用創新結合培育終端用戶信任度[11]，并重點在新能源汽車、智慧城市、自動駕駛、智能終端等領域開展典型集成應用示范。組建自主功率半導體示范應用領導小組，聯合重點龍頭應用企業和產業鏈平臺機構，組織產業鏈上重點企業常態化開展供需對接和技術交流。

5 結語

本文主要立足于湖南功率半導體產業發展現狀，提出應當抓住國家提倡科技自立自強、保障產業鏈供應鏈安全可控等歷史機遇，加快發展功率半導體產業。誠然，產業的發展與技術進步路線、當地產業基礎和政策扶持等都密切相關，特別是資金水平、高水平人才和創新團隊，對功率半導體產業這種知識密集型和資金密集型產業都有著至關重要的作用。