论中国电力半导体器件行业的发展现状和前景.doc

论中国电力半导体器件行业的发展现状和前景现代电子技术包含两大部分：信息电子技术（包括：微电子、计算机、通信等）和电力电子技术（又称功率半导体技术）。集成电路是信息电子技术的核心，电力半导体器件是电力电子技术的核心。前者是实施信息的存储、传输、处理和控制指令；后者不但实施电能的存储、传输、处理和控制，保障电能安全、可靠、高效和经济的运行，而且将能源与信息高度地集成在一起。如果用人体来比喻的话，信息电子相当于人的大脑和中枢神经；而电力电子则相当于人体的心血管系统，为人体的活动传输能量，两者缺一不可。图1 半导体器件结构电力电子技术是实现高效节能节材、改造传统产业并促进机电一体化的关键技术，它是弱电控制与强电运行之间、信息技术与制造技术之间的桥梁，是我国国民经济的重要基础技术，是现代科学、工业和国防的重要支撑技术，电力半导体器件是电力电子技术的核心和基础，进入21世纪之后，95%以上的电能须经电力半导体器件处理后才能使用。一、中国电力半导体器件行业的发展现状（一）市场规模扩张迅速电力半导体器件被广泛应用于计算机、工业控制、汽车电子、网络通信、消费电子与轨道交通、医疗器械、智能电网、新能源领域（光伏和风力发电、电动汽车）及航空与军事等各个领域。如图2图2 主要应用领域在应用领域需求的带动下，2010年中国功率器件市场规模快速增长，销售额达到1015.1亿元，增长30.1%，首次突破千亿元，中国已经成为全球最大的功率器件市场。风能、太阳能、智能电网、半导体照明、新能源汽车等领域都已经上升到国家战略层面，在国家鼓励、扶持政策的推动下，发展迅速，这些领域的快速发展都成为中国功率器件市场规模快速增长的新热点。据赛迪顾问发布数据：2011年中国功率器件市场较2010年同期增长5.2%，达到1067.9亿元；图3 2007-2011年中国功率器件市场规模从产品结构看，IGBT、MOSFET、FRED、晶体管等电力半导体器件总销售额为656.76亿元；图4 2011年中国功率器件市场产品分类IGBT是所有产品中增长最快的，增长率达到7.8%，2011年中国IGBT市场销售额为54.7亿元。图5 2007-2011年中国IGBT市场情况据HS iSuppli公司中国研究服务发表的一份报告，由于绿色能源与能源效率得到更多的重视，2011-2015年中国IGBT市场销售额的复合年度增长率将达13%。2010年中国市场IGBT销售额为7.1亿美元，比2009年的4.3亿美元大增65%，2011年达到8.59亿美元，2015年有望达到13亿美元，如图6：图6 2010-2015年中国IGBT市场预测从2011年中国功率器件市场来看，由于受整体经济发展不确定性、国家不断紧缩的财政政策影响，预计2011年至2014年中国功率器件市场的增长速度将会逐步放缓。到2014年，中国功率器件市场规模将达1313.1亿元，其中电力半导体器件市场规模将达801亿元。图7 2012-2014年中国功率器件市场预测（二）内生因素推动电力半导体器件需求持续快速增长由于国家对节能减排、新能源以及轨道交通产业的大力推动，IGBT等电力半导体器件在工业变频器、变频家电、新能源以及轨道交通产业得到了快速发展；变频器：前瞻产业研究院发布的2013-2017年中国变频器行业市场前瞻与投资战略规划分析报告数据显示，2011年末我国变频器行业实现销售收入252亿元，同比增长21%；预计未来三四年内，变频器市场整体增幅将保持在20%-25%之间。因此，预计到2015年行业市场规模将接近600亿元。变频空调：据IHSiSuppli公司的研究，2010年中国市场的空调变频出货量为1480万台，较2009年的510万台大增193%，预计2011-2015五年将增长近三倍，2015年末达到5890万台，期间的复合年度增长率高达31.8%。同时，变频空调对IPM模块的需求将大幅增加。图8 IHS iSuppli 2009-2015年中国空调变频器市场预测轨道交通产业：根据中国铁路“十一五”规划的“四纵四横”铁路客运快速通道，中国铁道总长度将从2010年的9万公里提升到2020年的12万公里。预计中国近期将新增5000辆电力机车、2000列高速动车组及3000节客车厢。与此同时，中国已有至少25个城市计划建设或扩展地铁，总计达数千公里，中国城市快速轨道交通的建设估计需要新增1000列以上的地铁车厢。按照每列电力机车一般需要500只IGBT模块，动车组需要超过100只IGBT模块，每列地铁列车需要50-80只IGBT模块测算，2010-2020年十年内轨道交通市场对IGBT模块的需求将超过300万只。（三）电力半导体器件的发展历程电力半导体器件的发展经历了晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等工艺，同时又兼顾了电力半导体器件所需要的深结、厚膜、薄片等工艺。30年来，IGBT技术不断发展，其结构和工艺技术也发生了较大的变化。IGBT的结构发展纵向上经历了穿透型（PT）、非穿透型（NPT）以及场终止型（T-FS）；栅极由平面栅发展到沟槽栅。结构的不断升级，其产品的特性变得损耗更低、工作结温更高、可靠性更高。图9 IGBT的技术发展引起的结构变化（四）技术和产品现状我国传统型晶闸管类电力半导体器件的电压等级和电流容量不断扩展，品种不断增加，产业结构趋向合理，应用面不断扩大。目前，晶闸管类器件产业成熟，种类齐全，质量可靠，能满足国内的需求。5英寸7200V/3000A、6英寸8500V/4000A4750A电控晶闸管(技术水平居世界前列)和5英寸7500V/3125A光控晶闸管实现了产业化，已经用于高压直流输电和无功补偿等领域。在国家产业政策支持和国民经济发展的推动下，我国高频场控类电力半导体器件的研发和产业化也取得了喜人的成绩。我国一些企业在IGBT这个未曾涉足的行业中已经有所突破，经过几年的努力，已解决了IGBT芯片“有和无”的问题，下一阶段全行业需共同努力解决IGBT芯片“多和少”、“优和好”的问题。目前，从芯片设计到芯片封装、测试的完整产业链正在形成。由于设备及工艺水平等因素的影响，国内600V IGBT技术还停留在PT型结构，1200-1700V IGBT技术水平还处在NPT+平面栅或者NPT+沟槽栅技术水平，1200V/100A以下规格的NPT+平面工艺IGBT芯片在多家企业进入量产阶段，1700V/100A NPT+沟槽栅技术IGBT芯片和1200V/15A Trench+FS（沟槽栅+场阻挡层）技术IGBT芯片已研发成功，进入中试阶段。3300V IGBT芯片已研发出样品。IGBT模块的封装技术也上了一个大台阶，最大功率达6500V/750A，国产品牌的IGBT模块产业化已初具规模，并已与国际品牌形成竞争态势。采用国产IGBT芯片封装的IGBT模块所制造的装置，如电磁炉、微波炉、电镀电源、高频感应加热、电焊机等都已批量生产，得到广泛应用，有的已完全替代进口产品。500V/30A以下规格的MOSFET和1200V/100A以下规格FRD都已进入批量生产阶段。（五）产业链还不完整，与国外存在差距国产新型电力半导体器件厂家采用的关键原材料如芯片、DBC基板等、生产设备、检测设备、可靠性测试设备等还需从国外进口，国内整个电力半导体器件产业链尚未形成。国内目前的半导体生产线绝大多数是IC产品生产线，少数分立器件的生产线也主要生产常规三极管和肖特基二极管，缺少IGBT所需要的栅极形成、隔离、背面减薄和注入工艺等技术；还缺少IGBT产业化的技术经验和人才。在电力半导体器件领域，欧美日厂商进入较早，具有明显的品牌优势。在设计技术、工艺水平、专利、产能及产品系列化等方面形成较强的优势，市场占有率较高；国内半导体厂商在生产能力、产品的系列化、稳定性和一致性，及长期工作的可靠性等方面与国外竞争对手相比尚有一定的差距。同时国内企业在研发、技术创新、人才引进等方面投入不足，在工艺环境、生产设备、检测设备、可靠性试验设备等方面投入相较于欧美日公司存在差距。（六）经营模式：综合模式(IDM)与无晶圆厂模式(Fab+Fabless)电力半导体产业的发展经历了一个不断分工细化、发展的过程。当前的电力半导体公司及其业务模式可分成两个种类：第一种是IDM模式(The Integrated Device Manufacturer Model，综合型)。该模式特点是一家企业在内部完成了制造、设计甚至是设计工具的开发。今天全球主要的电力半导体器件公司多数是IDM类型的公司。第二种模式是Fab(轻晶圆厂)+Fabless(无晶圆厂)模式。该模式的显著特点是：Fab专注于做工艺研发和设计代工(设备供工艺研发用)，Fabless企业专注于做IC设计(无制造能力)。根据全球半导体联盟(GSA)数据表示，到2011年，全球共有1800家无晶圆厂。二、发展前景（一）政策方面：国家出台了一系列产业扶持政策，对电力电子行业的发展提供了强有力的政策支撑。2006 年国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020 年)中明确提出，功率器件及模块技术、半导体功率器件技术、电力电子技术是未来5 年15 年15 个领域发展的重点技术之一。2007 年1 月，国家发改委、科技部、商务部联合发布当前优先发展的高技术产业化重点领域指南，指出：电力电子技术是实现高效节能、改造传统产业并促进机电一体化的关键技术，而电力电子器件是电力电子技术的核心和基础。近期产业化的重点是：中、小功率单管、功率模块和智能模块，非穿通型绝缘门极双极晶体管芯片及模块，变频调速装置和变频电源，大容量晶闸管等产品。2007 年8 月，科技部发布“十一五”国家科技支撑计划重点项目“电力电子关键器件及重大装备研制课题申请指南”，将新型电力电子器件及电力电子集成技术的研究开发列为重点支持项目。2007 年10 月，国家发改委发布国家发展改革委办公厅关于组织实施新型电力电子器件产业化专项有关问题的通知（发改办高技20072484 号），提出专项目标为：提高新型电力电子器件技术和工艺水平，促进产业发展，满足市场需求，以技术进步和产业升级推进节能减排；推动产、学、研、用相结合，突破核心基础器件发展的关键技术，完善电力电子产业链，促进具有自主知识产权的芯片和技术的推广应用；培育骨干企业，增强企业自主创新能力。并将多项电力半导体器件列为支持重点。2007 年10 月，国家发改委、商务部联合发布外商投资产业指导目录（2007 年修订），将新型电子元器件制造（含电力电子器件）列入鼓励类。2009 年国务院发布的装备制造业调整和振兴规划中提出：提升四大配套产品制造水平，夯实产业发展基础。在其中的基础部件领域，重点发展大功率电力电子元件、功能模块等。加快发展工业自动化控制系统及仪器仪表、中高档传感器等。2010年科技部为了大力提高自主创新能力、着力突破制约我国产业升级的核心技术、关键技术、共性技术，下大力气解决影响我国未来发展的重大科学技术问题，在（2006-2020年）国家中长期发展规划纲要中确定了13项代表国家最高技术水平的科技重大专项。“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”专项位于第二项，简称02专项；该专项主要是推动我国集成电路关键制造装备；装备共性技术与关键零部件；成套工艺与产品工艺；封装测试装备、工艺及材料；集成电路制造关键材料五大产业的关键技术研发及产业化。（二）节能环保政策推动行业快速发展：随着全球经济的不断发展，能源资源短缺压力日趋紧张，节能减排、发展绿色经济已成为世界主要国家和地区的普遍共识。目前我国与国际先进水平相比，总体能源利用效率较低，节能环保、降低能耗更是我国经济发展中的重大课题。我国已明确提出节约资源是我国的基本国策，并出台多项政策鼓励和支持节能环保科技的发展，促进节能技术创新与进步。电力电子技术可以促进电能在生产、变换、控制和使用时提高效率，如改进电源系统设计可降低待机功耗、提高转换效率，推广变频器可促使电机运行性能大幅改善，能耗显著下降；加之电力电子及相关控制技术应用极其广泛，因此本行业必将成为推动和落实节能减排政策的重要领域，能够持续受益于各项优惠、鼓励政策。光伏行业：据欧洲光伏行业协会（EPIA）于2013年2月发布的2012年市场报告称，2012年全球光伏累计装机容量已超过100GW；预计到2016年，全球光伏装机总量至少将增加1倍至200GW，甚至可能增长到340GW。中国的十二五计划促使太阳能发电的增长进入了一个新的阶段。中国已批准开展“金太阳工程”第二期项目，该项目将为总量达2.9GW的超过220个光伏项目提供预支财政补贴。中国国家发展和改革委员会提出，到2015年中国的太阳能发电装机总容量目标将从15GW提高到21GW。据最新的国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见也给出了明确的发展目标，“20132015年，年均新增光伏发电装机容量10GW左右，到2015年总装机容量达到35GW以上”。风电行业：根据全球风能理事会（Global Wind Energy Council,GWEC)最新全球风电市场发展报告2012报告，1996-2012年年全球新增风电装机容量经历了1996-2004年缓慢增长、2005-2009年快速增长及2010年后平稳增长三个阶段，到2012年底，全球累计风电装机总量达到282.5GW，2013年新增装机容量约40GW，2014-2017年以平均每年超过11%的速度增长，预计到2017年将年新增61GW。电动汽车行业：2011年3月出台的“十二五”规划纲要中，中国把新能源汽车列为战略性新兴产业之一，提出要重点发展插电式混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车技术，开展插电式混合动力汽车、纯电动汽车研发及大规模商业化示范工程，推进产业化应用。2012年9月20日，财政部、工业和信息化部、科技部联合印发关于组织开展新能源汽车产业技术创新工程的通知。为贯彻落实国务院关于印发节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)的通知，进一步提高新能源汽车产业技术创新能力，加快产业化进程，报经国务院批准，财政部、工业和信息化部、科技部将组织实施新能源汽车产业技术创新工程。为加强资金管理，提高资金使用效益，制定并印发新能源汽车产业技术创新财政奖励资金管理暂行办法，以推进我国新能源汽车重大关键技术突破与产业化进程。作为新能源汽车产业重要组成部分的纯电动汽车工业，有望在国家政策以及全球绿色环保意识的共同推动下取得较快的进展。根据工信部的报告显示，预计到2015年，中国新能源汽车的产销将达到50万辆；到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车的生产能力将达到200万辆，累计产销将超过500万辆。（三）全球产业布局调整：电力电子行业的蓬勃发展发端于欧美发达国家，欧美和日本等发达国家和地区研发实力雄厚、生产经验积淀较深，率先培育出了一批国际一流的电力电子公司。上世纪末以来，一方面发达地区人力成本持续提升，对欧美、日韩等成熟电力电子制造基地的维系和进一步发展形成了巨大制约；另一方面中国电力电子行业产生了很多在全球市场有竞争力的公司，以中国大陆为首的新兴市场在前期发展过程中，已经形成了较为成熟的供应链、技术研发平台和产品品种体系，并且市场反应灵敏、人力成本较低，具备了承接产业转移的条件和优势。上述两方面因素推动了全球电力电子产业进行新一轮的布局调整，尤其是制造基地已呈现出向中国大陆等新兴市场转移的趋势，这为我国电力电子行业公司的迅猛发展提供了难得的机遇。（四）市场方面：市场增长空间巨大，电力电子和相关控制技术的应用领域不断拓展，几乎涵盖了现代社会的各行各业。从传统的消费电子、医疗设备、信息技术、纺织、印刷包装、机床、自动化控制，到新兴的光伏发电、风力发电、轨道交通、新能源汽车，各个领域的电子设备均离不开电力电子和相关控制技术的配套和支持。这一独特属性决定了本行业具有广阔的应用空间和巨大的市场增长潜力，并且为行业发展提供了至少以下三方面的优势： 首先，广阔的下游应用为本行业技术升级、产业发展提供了多样化的契机。电力电子器件引领电力电子技术和装置改进，同时电力电子技术和装置的进步也带动电力电子器件革命。其次，下游行业众多且分散，因此本行业企业若能成功搭建完善的研发、生产及营销平台，推