做強(qiáng)功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)研究

劉錦江 李 力 歐陽穎卉

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410208）

1 引言

利用半導(dǎo)體的單向?qū)щ娦栽?，功率半?dǎo)體器件可以快速實現(xiàn)電源開關(guān)和電力轉(zhuǎn)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(xiàn)電能轉(zhuǎn)換、電路控制的核心器件。其主要產(chǎn)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(dǎo)體器件在軌道交通裝備、新能源汽車、工業(yè)控制、電網(wǎng)改造等諸多領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，發(fā)展前景十分廣闊。

2 全球功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

（1）市場增長穩(wěn)定。IHSResearch數(shù)據(jù)顯示，2016-2020年全球功率半導(dǎo)體器件市場復(fù)合增長率達(dá)到4.8%，今年將達(dá)到433億美元，中國區(qū)將達(dá)96.8億美元。較大的市場規(guī)模有助于吸引更多投資和企業(yè)進(jìn)入該領(lǐng)域。

（2）產(chǎn)業(yè)集中度高。美、歐、日等發(fā)達(dá)國家對功率半導(dǎo)體的創(chuàng)新研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常重視，從國家層面制定了相應(yīng)的研究規(guī)劃，投入大量人力物力，無論從技術(shù)上還是產(chǎn)業(yè)規(guī)模上都占據(jù)領(lǐng)先地位，美、歐、日企業(yè)占據(jù)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(yōu)異物理性能的SiC功率半導(dǎo)體器件產(chǎn)量，處于領(lǐng)先地位。歐洲擁有意法半導(dǎo)體、ABB、英飛凌、恩智浦、博世等全球知名實力廠商。英飛凌占據(jù)全球18.5%功率半導(dǎo)體市場份額，是安森美（排名第二）的兩倍。日本有三菱電機(jī)、富士電機(jī)、日立、東芝等進(jìn)入全球十強(qiáng)。

（3）國內(nèi)奮起直追。我國全面開展了新一代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的頂層設(shè)計和總體規(guī)劃，各地出臺新一代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相關(guān)政策多達(dá)80余份。搭建了完整產(chǎn)業(yè)鏈，在大功率IGBT等細(xì)分領(lǐng)域已經(jīng)處于與世界先進(jìn)水平并跑和爭奪領(lǐng)跑地位的階段。

（4）國產(chǎn)替代迫切。目前，功率器件國產(chǎn)化率仍在10%左右[2]，尤其是高鐵、智能電網(wǎng)、新能源汽車等中高端領(lǐng)域90%以上的功率半導(dǎo)體器件依賴進(jìn)口。同時，我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到美國為首的發(fā)達(dá)國家的持續(xù)封鎖打壓，保重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈穩(wěn)定任務(wù)緊迫。

3 湖南發(fā)展功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)其時已至其勢已成

3.1 具備了良好發(fā)展氛圍

一是有國家指引。中央高度重視保重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈穩(wěn)定，全面部署推進(jìn)國產(chǎn)替代，大力支持半導(dǎo)體材料、芯片、器件及IGBT模塊等創(chuàng)新發(fā)展。2020年全國兩會期間，民進(jìn)、民革等民主黨派中央均就推動我國功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展深入調(diào)查研究并專門提交了提案[3]，提出了許多建設(shè)性意見建議，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)I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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，將IGBT納入全省信創(chuàng)工程產(chǎn)業(yè)鏈，省委書記親自聯(lián)系，要求堅定不移集全省之力推動IGBT產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)，并大力推動中電科48所與時代半導(dǎo)體開展供應(yīng)鏈協(xié)同。長沙市深耕“三智一自主”領(lǐng)域，積極布局新一代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。株洲市依托軌道交通裝備領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢正全力建設(shè)功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。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(guān)于進(jìn)一步提升工業(yè)新興優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化水平的意見》和鼓勵集成電路產(chǎn)業(yè)、移動互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)、信息安全產(chǎn)業(yè)以及深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的若干政策措施，實施工業(yè)企業(yè)技術(shù)改造稅收增量獎補(bǔ)政策，建立產(chǎn)融合作制造業(yè)重點(diǎn)企業(yè)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(dǎo)體發(fā)展的政策支持體系。

3.2 聚集了一批優(yōu)秀企業(yè)

湖南省功率半導(dǎo)體領(lǐng)域已經(jīng)集聚了30余家相關(guān)企業(yè)，其中5～8家為行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)或細(xì)分領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，呈現(xiàn)了重點(diǎn)支撐、鏈?zhǔn)桨l(fā)展、生態(tài)構(gòu)建的良好格局。一是本土企業(yè)深耕厚植。時代半導(dǎo)體掌握了整套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的IGBT芯片及模塊“設(shè)計—工藝—應(yīng)用”產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，擁有“芯片—模塊—功率單元—整機(jī)”完整產(chǎn)業(yè)鏈[4]，主要產(chǎn)品占國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域40%、電網(wǎng)領(lǐng)域30%的份額，產(chǎn)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(jī)為主的集成電路裝備供應(yīng)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(chǎn)品，特別在第三代半導(dǎo)體SiC功率器件制造裝備方面在國內(nèi)唯一具備高溫高能離子注入機(jī)、高溫外延生長、高溫氧化/激活等成套關(guān)鍵裝備供應(yīng)能力的單位。時代新材作為先進(jìn)封裝材料企業(yè)的代表，已形成環(huán)氧樹脂、硅凝膠等封裝材料的產(chǎn)能。二是省外龍頭加速入湘。近兩年，比亞迪半導(dǎo)體、泰科天潤、三安光電、山東天岳等行業(yè)龍頭布局湖南，湖南省功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)一步補(bǔ)齊補(bǔ)強(qiáng)。比亞迪半導(dǎo)體基于新能源汽車積累的技術(shù)優(yōu)勢，成長為國內(nèi)最大的車規(guī)級IGBT廠商，國內(nèi)市占率18%居第二位[5]。泰科天潤作為國內(nèi)第三代半導(dǎo)體材料碳化硅器件制造與應(yīng)用解決方案提供商，是我國碳化硅（SiC）功率器件產(chǎn)業(yè)化的倡導(dǎo)者之一[6]。三安光電是國內(nèi)LED外延片及芯片、化合物半導(dǎo)體材料、功率器件等龍頭企業(yè)。山東天岳先進(jìn)材料科技有限公司可批量供應(yīng)碳化硅（4H-SiC）襯底產(chǎn)品（全球第四家），掌握了碳化硅半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)化核心關(guān)鍵技術(shù)[7]。

3.3 布局了一批重點(diǎn)項目

據(jù)了解，湖南省在建和規(guī)劃重點(diǎn)項目20余個，其中部分項目投資規(guī)模大、技術(shù)含量高、帶動能力強(qiáng)。如：時代半導(dǎo)體總投資185億元用于建設(shè)IGBT芯片線及其配套封裝線二、三期，預(yù)計2023年建成，三期建成后達(dá)到60萬片/年、300萬只IGBT中低壓模塊，加上比亞迪半導(dǎo)體年產(chǎn)25萬片8英寸集成電路晶圓項目，湖南將形成以車規(guī)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(shè)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)園項目，打造從襯底、外延、芯片到器件完整的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈，預(yù)計2023年建成，將打造具有影響力的第三代半導(dǎo)體材料和器件產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)基地[9]。天岳碳化硅材料項目總投資30億元，是目前國內(nèi)在建最大第三代半導(dǎo)體碳化硅材料項目及成套工藝生產(chǎn)線，主要生產(chǎn)碳化硅導(dǎo)電襯底、新能源汽車及充電站裝置等。湖南五夷實業(yè)（懷化）五夷芯視界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)園項目（一期），總投資約135億元，計劃建設(shè)一座8英寸晶圓制造廠，兩座8/12英寸封裝測試廠，產(chǎn)品包括電源管理芯片、驅(qū)動芯片、圖像傳感芯片，將帶動形成集材料生產(chǎn)、芯片設(shè)計、晶圓制造、封裝測試等一體半導(dǎo)體生產(chǎn)基地。

3.4 匯聚了一批高端創(chuàng)新資源

創(chuàng)新平臺方面，湖南已經(jīng)擁有新型功率半導(dǎo)體器件國家重點(diǎn)實驗室、變流技術(shù)國家工程研究中心、湖南省功率半導(dǎo)體創(chuàng)新中心、長沙新一代半導(dǎo)體研究院等。中國IGBT技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟國際學(xué)術(shù)論壇，是業(yè)內(nèi)有重要影響的國際化學(xué)術(shù)平臺，已連續(xù)四屆在湖南召開。人才團(tuán)隊方面，新型功率半導(dǎo)體器件國家重點(diǎn)實驗室學(xué)術(shù)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(xué)、湖南大學(xué)等高校近年來紛紛布局了微電子專業(yè)，并積極與相關(guān)企業(yè)合作共建培養(yǎng)基地。創(chuàng)新成果方面，中車時代電氣牽頭的“高壓大電流IGBT芯片關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項目，榮獲2019年內(nèi)國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎[10]?！捌嘔GBT研發(fā)與試制能力建設(shè)”“寬禁帶半導(dǎo)體電機(jī)控制器開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化”等項目納入國家布局。主打產(chǎn)品大功率器件、車規(guī)級IGBT、第四代平面柵（高壓產(chǎn)品）、第五代溝槽柵（中低壓產(chǎn)品）在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位；HVDC高壓晶閘管、整流管和IGCT等產(chǎn)品穩(wěn)居世界前三名；第五代（高壓產(chǎn)品）和第六代（中低壓）IGBT芯片技術(shù)，與英飛凌、三菱、富士并駕齊驅(qū)。

當(dāng)然，盡管湖南省功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)具有較好基礎(chǔ)及優(yōu)勢，但短板也很突出。一是產(chǎn)業(yè)規(guī)模偏小。湖南省功率器件產(chǎn)業(yè)鏈除中車時代所屬3家上市公司，其它企業(yè)規(guī)模都不大。據(jù)2019年半導(dǎo)體功率器件行業(yè)排位，營業(yè)收入全球前五的企業(yè)，尚無一家在湖南布局。缺乏大型項目，產(chǎn)業(yè)帶動效應(yīng)偏弱。二是應(yīng)用推廣滯后。除軌道交通和輸變電領(lǐng)域，國內(nèi)重大工程關(guān)鍵裝備用核心器件以進(jìn)口為主，自主產(chǎn)品市場應(yīng)用機(jī)會、驗證機(jī)會偏少，新能源汽車領(lǐng)域時代半導(dǎo)體、比亞迪半導(dǎo)體產(chǎn)品也以內(nèi)銷為主。三是配套能力不足。產(chǎn)業(yè)鏈重點(diǎn)企業(yè)需求的關(guān)鍵材料、關(guān)鍵設(shè)備、輔材及特種氣體等，在湖南沒有相關(guān)配套企業(yè)，大部分需要進(jìn)口或從長三角等地區(qū)采購。四是創(chuàng)新鏈有待打通。應(yīng)用與技術(shù)相對分離，沒能有效結(jié)合成為創(chuàng)新聯(lián)合體，全產(chǎn)業(yè)鏈頂層設(shè)計、系統(tǒng)布局、整體實施尚未全面展開。國家級創(chuàng)新平臺與大科城協(xié)同、長株潭三市聯(lián)動格局、高端人才團(tuán)隊互認(rèn)機(jī)制尚未建立。湖南地位內(nèi)陸地區(qū)，高技能人才易遭上海、深圳等地爭奪，時代半導(dǎo)體因區(qū)位原因招、留高端人才困難。

4 湖南發(fā)展功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的對策建議

湖南要發(fā)展功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，就要緊緊抓住全球產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈體系重構(gòu)、國內(nèi)發(fā)展“新基建”等重大機(jī)遇，堅持產(chǎn)業(yè)鏈思維，以龍頭企業(yè)為引領(lǐng)、重點(diǎn)項目為抓手、創(chuàng)新平臺為紐帶，鞏固一、二代產(chǎn)品優(yōu)勢，加速第三代技術(shù)產(chǎn)品布局，擴(kuò)大重點(diǎn)行業(yè)應(yīng)用示范，著力培育產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系，打造具有競爭力的中國功率半導(dǎo)體創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化基地。

4.1 發(fā)揮頂層設(shè)計引導(dǎo)作用

主動對接國家戰(zhàn)略，爭取更多布局落地湖南。推動國家層面出臺功率半導(dǎo)體享受集成電路稅費(fèi)優(yōu)惠政策、積極承接國家重大專項、集成電路基金、轉(zhuǎn)型升級基金、工業(yè)強(qiáng)基的項目支出，引導(dǎo)投融資機(jī)構(gòu)、社會資本加大產(chǎn)業(yè)投資支持力度。整合省市資源，全力推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈龍頭型項目建設(shè)。探索設(shè)立相當(dāng)規(guī)模的省級功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金。高標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)制定適應(yīng)湖南特點(diǎn)的功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項規(guī)劃，通過頂層設(shè)計統(tǒng)籌各方資源力量，協(xié)調(diào)全省功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

4.2 發(fā)揮龍頭企業(yè)引領(lǐng)作用

支持時代半導(dǎo)體持續(xù)加大研發(fā)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(lǐng)軍企業(yè)；支持比亞迪半導(dǎo)體發(fā)揮全產(chǎn)業(yè)鏈和整車制造優(yōu)勢，加快8寸晶圓生產(chǎn)線項目建設(shè)，并創(chuàng)造條件鼓勵企業(yè)遷移或擴(kuò)大制造產(chǎn)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(diǎn)項目建設(shè)，形成優(yōu)勢企業(yè)集聚發(fā)展態(tài)勢；支持中電科48所、楚微半導(dǎo)體發(fā)揮國產(chǎn)化設(shè)備技術(shù)優(yōu)勢，吸引國內(nèi)相關(guān)半導(dǎo)體裝備制造企業(yè)落地，打造核心制造裝備產(chǎn)業(yè)體系。針對強(qiáng)鏈補(bǔ)鏈，引進(jìn)全球功率半導(dǎo)體龍頭企業(yè)在湖南設(shè)立區(qū)域總部、研發(fā)基礎(chǔ)等。

4.3 發(fā)揮創(chuàng)新平臺紐帶作用

依托國家重點(diǎn)實驗室、工程研究中心、創(chuàng)新中心等，加大前沿、關(guān)鍵、共性技術(shù)研發(fā)，建設(shè)功率半導(dǎo)體設(shè)計、試制、檢測中心和公共服務(wù)平臺。依托岳麓山大科城，培育孵化和吸引一批功率半導(dǎo)企業(yè)。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(yè)合作，打造“政產(chǎn)學(xué)研用金”創(chuàng)新應(yīng)用生態(tài)。

4.4 發(fā)揮示范應(yīng)用帶動作用

在軌道交通領(lǐng)域、新能源汽車、5G通信、智能電網(wǎng)、消費(fèi)電子、家用電器等領(lǐng)域的重點(diǎn)項目示范應(yīng)用，由相關(guān)主管部門牽頭協(xié)調(diào)產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)優(yōu)先參與項目建設(shè)。支持下游應(yīng)用企業(yè)采用新型功率半導(dǎo)體產(chǎn)品。每年在全省范圍內(nèi)擇優(yōu)評選一批示范應(yīng)用項目并給予專項獎勵支持。鼓勵相關(guān)財政專項在項目建設(shè)、創(chuàng)新平臺重大設(shè)備采購等資金支持。建立首批次、首臺套獎勵政策。

4.5 發(fā)揮國產(chǎn)替代保穩(wěn)作用

產(chǎn)品只有在應(yīng)用的過程中不斷更新迭代，才能快速改進(jìn)。建議針對自主功率半導(dǎo)體產(chǎn)品應(yīng)用推廣難的問題，在重大工程、重大項目等招標(biāo)過程中，給予關(guān)鍵裝備中自主功率半導(dǎo)體器件不低于50%的采購份額，促進(jìn)應(yīng)用市場拓展帶動創(chuàng)新，通過應(yīng)用創(chuàng)新結(jié)合培育終端用戶信任度[11]，并重點(diǎn)在新能源汽車、智慧城市、自動駕駛、智能終端等領(lǐng)域開展典型集成應(yīng)用示范。組建自主功率半導(dǎo)體示范應(yīng)用領(lǐng)導(dǎo)小組，聯(lián)合重點(diǎn)龍頭應(yīng)用企業(yè)和產(chǎn)業(yè)鏈平臺機(jī)構(gòu)，組織產(chǎn)業(yè)鏈上重點(diǎn)企業(yè)常態(tài)化開展供需對接和技術(shù)交流。

5 結(jié)語

本文主要立足于湖南功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，提出應(yīng)當(dāng)抓住國家提倡科技自立自強(qiáng)、保障產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全可控等歷史機(jī)遇，加快發(fā)展功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。誠然，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步路線、當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和政策扶持等都密切相關(guān)，特別是資金水平、高水平人才和創(chuàng)新團(tuán)隊，對功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)這種知識密集型和資金密集型產(chǎn)業(yè)都有著至關(guān)重要的作用。