做强功率半导体产业研究

　　摘要：功率半导体器件在轨道交通装备、新能源汽车、工业控制、电网改造等诸多领域有着非常广泛的应用，但在中高端领域90％以上仍然依赖进口。湖南发展功率半导体产业具有较好基础，应当抢抓发展机遇，坚持产业链思维加速第三代技术产品布局，扩大重点行业应用示范，着力培育产业生态体系，打造具有核心竞争力的功率半导体创新与产业化基地。基于湖南功率半导体产业发展基础特色，找准发展短板，从顶层设计、龙头企业、创新平台、示范应用、国产替代等方面提出对策建议。

　　1 引言

　　利用半导体的单向导电性原理，功率半导体器件可以快速实现电源开关和电力转换功能[1]，所以又被称作为电力电子器件，是电力电子装置实现电能转换、电路控制的核心器件。其主要产品类型包括功率二极管、肖特基二极管、可控硅晶闸管、功率双极晶体管、IGBT（绝缘栅晶体管）。功率半导体器件在轨道交通装备、新能源汽车、工业控制、电网改造等诸多领域有着非常广泛的应用，发展前景十分广阔。

　　2 全球功率半导体产业发展情况

　　（1）市场增长稳定。IHS Research 数据显示，2016-2020 年全球功率半导体器件市场复合增长率达到4.8％，今年将达到433 亿美元，中国区将达96.8 亿美元。较大的市场规模有助于吸引更多投资和企业进入该领域。

　　（2）产业集中度高。美、欧、日等发达国家对功率半导体的创新研究和产业发展非常重视，从国家层面制定了相应的研究规划，投入大量人力物力，无论从技术上还是产业规模上都占据领先地位，美、欧、日企业占据全球榜单前五名，市场份额超过50％。比如，美国拥有全球70％~80％具有优异物理性能的SiC 功率半导体器件产量，处于领先地位。欧洲拥有意法半导体、ABB、英飞凌、恩智浦、博世等全球知名实力厂商。英飞凌占据全球18.5％功率半导体市场份额，是安森美（排名第二）的两倍。日本有三菱电机、富士电机、日立、东芝等进入全球十强。

　　（3）国内奋起直追。我国全面开展了新一代半导体产业的顶层设计和总体规划，各地出台新一代半导体产业相关政策多达80 余份。搭建了完整产业链，在大功率IGBT等细分领域已经处于与世界先进水平并跑和争夺领跑地位的阶段。

　　（4）国产替代迫切。目前，功率器件国产化率仍在10％左右[2]，尤其是高铁、智能电网、新能源汽车等中高端领域 90％以上的功率半导体器件依赖进口。同时，我国半导体产业的发展受到美国为首的发达国家的持续封锁打压，保重点产业链供应链稳定任务紧迫。

　　3 湖南发展功率半导体产业其时已至其势已成

　　3.1 具备了良好发展氛围

　　一是有国家指引。中央高度重视保重点产业链供应链稳定，全面部署推进国产替代，大力支持半导体材料、芯片、器件及IGBT模块等创新发展。2020 年全国两会期间，民进、民革等民主党派中央均就推动我国功率半导体产业发展深入调查研究并专门提交了提案[3]，提出了许多建设性意见建议，为产业发展营造了良好氛围。二是有湖南共识。湖南省委省政府高度重视半导体产业发展，将IGBT 纳入全省信创工程产业链，省委书记亲自联系，要求坚定不移集全省之力推动IGBT产业做大做强，并大力推动中电科48 所与时代半导体开展供应链协同。长沙市深耕“三智一自主”领域，积极布局新一代半导体产业。株洲市依托轨道交通装备领域产业优势正全力建设功率半导体产业集聚区。怀化市依托武夷芯视界项目大力度切入。三是有政策激励。湖南省委省政府出台《关于进一步提升工业新兴优势产业链现代化水平的意见》和鼓励集成电路产业、移动互联网产业、信息安全产业以及深化制造业与互联网融合发展的若干政策措施，实施工业企业技术改造税收增量奖补政策，建立产融合作制造业重点企业名单制度，实施湖南省芙蓉人才行动计划等，形成了支持功率半导体发展的政策支持体系。

　　3.2 聚集了一批优秀企业

　　湖南省功率半导体领域已经集聚了30 余家相关企业，其中5~8 家为行业领军企业或细分领域的龙头企业，呈现了重点支撑、链式发展、生态构建的良好格局。一是本土企业深耕厚植。时代半导体掌握了整套具有自主知识产权的IGBT 芯片及模块“设计—工艺—应用”产业化技术，拥有“芯片— 模块—功率单元—整机”完整产业链[4]，主要产品占国内轨道交通领域40％、电网领域30％的份额，产品出口多个国家。中电科48 所是集成电路装备的国家队，是我国唯一以离子注入机为主的集成电路装备供应商，在6~8 英寸功率器件制造装备上已有成体系布局和成套装备产品，特别在第三代半导体SiC 功率器件制造装备方面在国内唯一具备高温高能离子注入机、高温外延生长、高温氧化/激活等成套关键装备供应能力的单位。时代新材作为先进封装材料企业的代表，已形成环氧树脂、硅凝胶等封装材料的产能。二是省外龙头加速入湘。近两年，比亚迪半导体、泰科天润、三安光电、山东天岳等行业龙头布局湖南，湖南省功率半导体产业链进一步补齐补强。比亚迪半导体基于新能源汽车积累的技术优势，成长为国内最大的车规级IGBT 厂商，国内市占率18％居第二位[5]。泰科天润作为国内第三代半导体材料碳化硅器件制造与应用解决方案提供商，是我国碳化硅（SiC）功率器件产业化的倡导者之一[6]。三安光电是国内LED外延片及芯片、化合物半导体材料、功率器件等龙头企业。山东天岳先进材料科技有限公司可批量供应碳化硅（4H-SiC）衬底产品（全球第四家），掌握了碳化硅半导体材料产业化核心关键技术[7]。

　　3.3 布局了一批重点项目

　　据了解，湖南省在建和规划重点项目20 余个，其中部分项目投资规模大、技术含量高、带动能力强。如：时代半导体总投资185 亿元用于建设IGBT 芯片线及其配套封装线二、三期，预计2023 年建成，三期建成后达到60 万片/年、300 万只IGBT 中低压模块，加上比亚迪半导体年产25 万片8 英寸集成电路晶圆项目，湖南将形成以车规级IGBT 为代表的新能源汽车电子核心竞争力[8]。三安光电总投资160 亿，在长沙建设第三代半导体产业园项目，打造从衬底、外延、芯片到器件完整的碳化硅产业链，预计2023 年建成，将打造具有影响力的第三代半导体材料和器件产业生产基地[9]。天岳碳化硅材料项目总投资30 亿元，是目前国内在建最大第三代半导体碳化硅材料项目及成套工艺生产线，主要生产碳化硅导电衬底、新能源汽车及充电站装置等。湖南五夷实业（怀化）五夷芯视界半导体产业园项目（一期），总投资约135 亿元，计划建设一座8 英寸晶圆制造厂，两座8/12 英寸封装测试厂，产品包括电源管理芯片、驱动芯片、图像传感芯片，将带动形成集材料生产、芯片设计、晶圆制造、封装测试等一体半导体生产基地。

　　3.4 汇聚了一批高端创新资源

　　创新平台方面，湖南已经拥有新型功率半导体器件国家重点实验室、变流技术国家工程研究中心、湖南省功率半导体创新中心、长沙新一代半导体研究院等。中国IGBT 技术创新与产业联盟国际学术论坛，是业内有重要影响的国际化学术平台，已连续四届在湖南召开。人才团队方面，新型功率半导体器件国家重点实验室学术委员会拥有丁荣军、郝跃、刘友梅、马伟明、李立浧、罗安6 位中国工程院院士及英国皇家工程院院士Florin Udrea（弗洛林·乌德里亚）。国防科大、中南大学、湖南大学等高校近年来纷纷布局了微电子专业，并积极与相关企业合作共建培养基地。创新成果方面，中车时代电气牵头的“高压大电流IGBT 芯片关键技术及应用”项目，荣获2019 年内国家技术发明奖二等奖[10]。“汽车IGBT 研发与试制能力建设”“宽禁带半导体电机控制器开发和产业化”等项目纳入国家布局。主打产品大功率器件、车规级IGBT、第四代平面栅（高压产品）、第五代沟槽栅（中低压产品）在国内处于领先地位；HVDC 高压晶闸管、整流管和 IGCT 等产品稳居世界前三名；第五代（高压产品）和第六代（中低压）IGBT芯片技术，与英飞凌、三菱、富士并驾齐驱。

　　当然，尽管湖南省功率半导体产业具有较好基础及优势，但短板也很突出。一是产业规模偏小。湖南省功率器件产业链除中车时代所属3 家上市公司，其它企业规模都不大。据2019 年半导体功率器件行业排位，营业收入全球前五的企业，尚无一家在湖南布局。缺乏大型项目，产业带动效应偏弱。二是应用推广滞后。除轨道交通和输变电领域，国内重大工程关键装备用核心器件以进口为主，自主产品市场应用机会、验证机会偏少，新能源汽车领域时代半导体、比亚迪半导体产品也以内销为主。三是配套能力不足。产业链重点企业需求的关键材料、关键设备、辅材及特种气体等，在湖南没有相关配套企业，大部分需要进口或从长三角等地区采购。四是创新链有待打通。应用与技术相对分离，没能有效结合成为创新联合体，全产业链顶层设计、系统布局、整体实施尚未全面展开。国家级创新平台与大科城协同、长株潭三市联动格局、高端人才团队互认机制尚未建立。湖南地位内陆地区，高技能人才易遭上海、深圳等地争夺，时代半导体因区位原因招、留高端人才困难。

　　4 湖南发展功率半导体产业的对策建议

　　湖南要发展功率半导体产业，就要紧紧抓住全球产业链供应链体系重构、国内发展“新基建”等重大机遇，坚持产业链思维，以龙头企业为引领、重点项目为抓手、创新平台为纽带，巩固一、二代产品优势，加速第三代技术产品布局，扩大重点行业应用示范，着力培育产业生态体系，打造具有竞争力的中国功率半导体创新与产业化基地。

　　4.1 发挥顶层设计引导作用

　　主动对接国家战略，争取更多布局落地湖南。推动国家层面出台功率半导体享受集成电路税费优惠政策、积极承接国家重大专项、集成电路基金、转型升级基金、工业强基的项目支出，引导投融资机构、社会资本加大产业投资支持力度。整合省市资源，全力推进产业链龙头型项目建设。探索设立相当规模的省级功率半导体产业发展基金。高标准科学制定适应湖南特点的功率半导体产业发展专项规划，通过顶层设计统筹各方资源力量，协调全省功率半导体产业发展。

　　4.2 发挥龙头企业引领作用

　　支持时代半导体持续加大研发和项目投入，通过5~10 年努力，成长为与巨头“并跑”的国际性领军企业；支持比亚迪半导体发挥全产业链和整车制造优势，加快8 寸晶圆生产线项目建设，并创造条件鼓励企业迁移或扩大制造产能；支持三安光电、泰科天润、山东天岳（浏阳）、五夷芯视界等一批重点项目建设，形成优势企业集聚发展态势；支持中电科48 所、楚微半导体发挥国产化设备技术优势，吸引国内相关半导体装备制造企业落地，打造核心制造装备产业体系。针对强链补链，引进全球功率半导体龙头企业在湖南设立区域总部、研发基础等。

　　4.3 发挥创新平台纽带作用

　　依托国家重点实验室、工程研究中心、创新中心等，加大前沿、关键、共性技术研发，建设功率半导体设计、试制、检测中心和公共服务平台。依托岳麓山大科城，培育孵化和吸引一批功率半导企业。支持长株潭等城市，与中车株洲所、三安光电、比亚迪等龙头企业合作，打造“政产学研用金”创新应用生态。

　　4.4 发挥示范应用带动作用

　　在轨道交通领域、新能源汽车、5G通信、智能电网、消费电子、家用电器等领域的重点项目示范应用，由相关主管部门牵头协调产业链企业优先参与项目建设。支持下游应用企业采用新型功率半导体产品。每年在全省范围内择优评选一批示范应用项目并给予专项奖励支持。鼓励相关财政专项在项目建设、创新平台重大设备采购等资金支持。建立首批次、首台套奖励政策。

　　4.5 发挥国产替代保稳作用

　　产品只有在应用的过程中不断更新迭代，才能快速改进。建议针对自主功率半导体产品应用推广难的问题，在重大工程、重大项目等招标过程中，给予关键装备中自主功率半导体器件不低于50％的采购份额，促进应用市场拓展带动创新，通过应用创新结合培育终端用户信任度[11]，并重点在新能源汽车、智慧城市、自动驾驶、智能终端等领域开展典型集成应用示范。组建自主功率半导体示范应用领导小组，联合重点龙头应用企业和产业链平台机构，组织产业链上重点企业常态化开展供需对接和技术交流。

　　5 结语

　　本文主要立足于湖南功率半导体产业发展现状，提出应当抓住国家提倡科技自立自强、保障产业链供应链安全可控等历史机遇，加快发展功率半导体产业。诚然，产业的发展与技术进步路线、当地产业基础和政策扶持等都密切相关，特别是资金水平、高水平人才和创新团队，对功率半导体产业这种知识密集型和资金密集型产业都有着至关重要的作用。