功率半导体器件产业及标准化白皮书-中国电子技术标准研究院_91页_6mb

功率半导体分立器件产业及标准化白皮书（2019版）总结

核心内容

功率半导体分立器件是现代电子系统中实现电能变换与控制的关键基础元件，广泛应用于汽车电子、消费电子、工业自动化、智能电网、新能源发电、航空航天、武器装备等领域。它在电子系统中虽然价值占比不高（通常为10%~30%），但对系统整体性能、尺寸、重量和可靠性具有决定性作用。

本白皮书旨在分析功率半导体分立器件的发展现状与趋势，梳理其标准化体系，探讨标准体系构建原则，提出标准化发展目标与建议，以引导产业健康可持续发展，支撑“制造强国”战略实施。

主要观点

1. 功率半导体分立器件是电子系统的核心
   作为电子系统中的基本单元，功率半导体分立器件在多个关键领域发挥重要作用，其发展直接影响相关设备性能和可靠性。

2. 功率半导体分立器件发展历程
   从晶闸管到MOSFET和IGBT，再到宽禁带半导体（如SiC、GaN）的兴起，功率半导体分立器件正逐步向高温、高频、大功率、抗辐照方向发展。

3. 全球产业格局
   全球高端功率半导体分立器件市场主要由欧美、日本及我国台湾地区企业主导，美国、日本、欧洲在产业分工和技术创新方面具有明显优势。

4. 我国产业发展现状
   我国功率半导体分立器件产业虽起步较晚，但发展迅速，市场规模年均复合增速达6.33%。目前主要集中在中低端产品，高端产品仍依赖进口，进口替代空间巨大。

5. 宽禁带功率器件是未来发展方向
   宽禁带半导体器件（如SiC、GaN）具有耐高温、耐高压、高功率密度等优势，是推动电子系统升级的重要保障。我国在该领域已实现“从无到有”的突破，逐步形成完整产业链。

关键信息

1. 功率半导体分立器件的分类

• 按器件结构：二极管、晶闸管、晶体管等
• 按功率处理能力：低压小功率、中功率、大功率、高压特大功率
• 按驱动性质：电流驱动型（如晶闸管）、电压驱动型（如MOSFET、IGBT）
• 按控制程度：不可控型（如功率二极管）、半控型（如晶闸管）、全控型（如MOSFET、IGBT）
• 按导电情况：单极型（如肖特基二极管）、双极型（如双极晶体管）、复合型（如IGBT）
• 按衬底材料：第一代（Si、Ge）、第二代（GaAs、InP）、第三代（SiC、GaN）

2. 主要工艺技术

• 外延工艺：用于Si器件，生长纯度高、均匀性好的单晶硅层。SiC器件外延工艺难度高，成本远高于Si器件。
• 光刻工艺：决定半导体器件集成度和性能，是衡量工艺技术水平的重要指标。
• 刻蚀工艺：用于精确复制掩膜图形，分为湿法刻蚀和干法刻蚀，先进的刻蚀技术（如Trench蚀刻）可满足高端器件需求。
• 离子注入工艺：用于掺杂控制，提高器件性能。
• 扩散工艺：主要用于Si器件，SiC器件则主要采用离子注入技术。

3. 主要器件类型

• 功率二极管：包括整流二极管、快恢复二极管、肖特基二极管等。
• 晶闸管：如普通晶闸管、IGCT、双向晶闸管等。
• 晶体管：包括双极晶体管（BJT）、场效应晶体管（FET），其中FET又分为JFET、MESFET、MOSFET等。
• 功率模块：由多个分立器件组成，用于高压大电流场合。
• 宽禁带器件：如SiC二极管、MOSFET、IGBT，GaN HEMT、二极管等。

4. 发展现状与趋势

• 全球市场：2014-2018年全球分立器件销售额呈波动增长，2018年达到230.91亿美元，中国大陆市场占全球39%。
• 我国市场：2011-2018年市场规模增长迅速，但高端产品仍依赖进口，市场占有率不足2%。
• 发展趋势：下游需求旺盛推动行业发展；高端产品进口替代空间广阔；宽禁带器件成为未来发展的核心。

5. 标准化现状

• IEC标准：IEC/TC47负责制定半导体分立器件、集成电路等国际标准，包括60747系列标准和62435系列长期贮存标准。
• JEDEC标准：制定半导体分立器件通用基础标准与专业标准，注重测试方法与产品规范。
• AEC标准：针对汽车电子元器件，制定产品规范和支撑性技术标准，提高产品可靠性。
• 美国国防部标准：以MIL-PRF-19500为通用规范，分为JAN、JANTX、JANTXV、JANS四个等级，强调电参数控制与可靠性。
• 欧洲航天局标准：制定半导体分立器件通用规范与详细规范，部分试验方法采用美军标准。
• 日本航天局标准：借鉴美军标准，逐步发展为自主标准。

标准化发展目标与建议

1. 发展目标

• 完善标准体系，填补空白领域
• 加快宽禁带半导体器件标准化研究
• 推动功率模块标准化，应对技术升级带来的新挑战
• 针对不同应用领域制定相应的标准
• 鼓励高质量团体标准的发展，提升产业竞争力

2. 发展建议

• 完善标准体系：构建覆盖材料、设计、制造、封装、测试等环节的完整标准体系。
• 发展新材料标准化：重点推进SiC、GaN等宽禁带半导体材料的标准制定。
• 加强模块标准化研究：随着功率模块应用激增，需关注其封装、测试与可靠性标准。
• 推动军标与民标协调：提高标准兼容性，促进军民融合。
• 鼓励高质量团体标准：提升国内标准的权威性与市场认可度。

附录参考

• IEC标准转化情况：列出IEC标准与国内标准的对应关系，便于国际接轨。
• 现行民用标准清单：涵盖功率半导体分立器件各类标准，为行业提供指导。

总结

功率半导体分立器件作为电子系统中的核心部件，其发展与标准化对我国实现制造强国目标具有重要意义。当前我国在中低端器件方面已形成一定优势，但在高端产品领域仍需加大投入，推动技术创新与标准化建设。宽禁带半导体器件（如SiC、GaN）是未来发展的关键方向，其性能优势显著，市场前景广阔。我国应加快标准化进程，提升技术水平，推动国产替代，实现从“跟跑”到“并跑”甚至“领跑”的转变。