中国电子技术标准化研究院-功率半导体分立器件产业及标准化白皮书（2019版）-2020.9-91页_5mb

功率半导体分立器件产业及标准化白皮书（2019版）总结

核心内容概述

功率半导体分立器件是电子系统中的关键基础元件，广泛应用于汽车电子、消费电子、网络通信、工业自动化、航空航天、武器装备等多个领域。作为功率半导体技术的核心组成部分，其发展对实现电气化系统的自主可控具有重要意义。功率半导体分立器件主要分为二极管、晶闸管、晶体管、功率模块以及宽禁带功率器件（如SiC和GaN器件）等。

主要观点

• 功率半导体分立器件的重要性：其虽仅占整机成本的 $10\sim 30%$，但对整机的性能、尺寸、重量和技术水平具有决定性影响。
• 技术发展阶段：从晶闸管、MOSFET和IGBT的第二阶段，正逐步进入以宽禁带半导体器件（SiC和GaN）为核心的第三阶段。
• 市场需求：随着新能源汽车、智能电网、轨道交通等新兴产业的快速发展，功率半导体分立器件的市场需求持续增长，尤其在中高端领域进口替代空间巨大。
• 标准化的必要性：标准体系的建立和不断完善是推动行业健康发展的关键，有助于提升产品质量、降低成本、促进技术交流和国际竞争力。

关键信息

2.1 功率半导体分立器件的概念

功率半导体分立器件是指用于电能变换和控制的电子器件，包括功率二极管、晶闸管、晶体管、功率模块等。其主要功能包括功率转换、放大、开关、保护等。

2.2 功率半导体分立器件的分类

功率半导体分立器件按结构、功率处理能力、驱动性质、控制程度和衬底材料等不同维度进行分类，涵盖二极管、晶体管、晶闸管等主要类型。

2.3 功率半导体分立器件的应用

主要应用于消费电子、工业电机、汽车电子、轨道交通、智能电网、新能源发电、航空航天、武器装备等领域。其中，新能源汽车和轨道交通对IGBT模块的需求尤为突出。

2.4 功率半导体分立器件的关键工艺

包括外延工艺、光刻工艺、刻蚀工艺、离子注入工艺和扩散工艺等。其中，SiC器件由于衬底生长难度大，成本高，其外延工艺比Si器件更为复杂。

2.5 功率半导体分立器件类型

• 功率二极管：包括PIN二极管和肖特基二极管，分别适用于不同场景。
• 晶闸管：具有半控特性，适用于电机控制、高压直流输电等。
• 晶体管：分为双极型晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET），其中FET具有更高的输入阻抗和更低的功率消耗。
• 功率模块：由多个分立器件组成，用于高压大电流场景，如智能电网和高铁系统。
• 宽禁带功率器件：如SiC和GaN器件，具有更高的耐压、耐温、效率和抗辐照能力，是未来功率半导体发展的重要方向。

发展现状与趋势

3.1 全球发展现状

• 市场规模：2002年全球功率半导体分立器件销售额为125.28亿美元，2018年达到230.91亿美元，年复合增长率约为3.10%。
• 产业格局：高端产品主要由欧美和我国台湾地区厂商主导，美国、日本和欧洲在技术上具有较强优势。
• 市场趋势：SiC和GaN器件尚处于市场开拓初期，预计2020年后将进入爆发式增长阶段。

3.2 我国发展现状

• 市场规模：2011年至2018年间，我国功率半导体分立器件市场规模增长迅速，年均复合增速达6.33%。
• 产品结构：以中低端产品为主，高端产品仍需进口，国内厂商在成本和响应速度上有一定优势。
• 政策支持：国家出台多项政策支持功率半导体产业发展，包括《中国制造2025》、《电子信息产业调整和振兴规划》等，鼓励自主创新和产业升级。
• 研发进展：我国已初步具备SiC和GaN功率器件的研发能力，部分产品实现量产，但整体技术水平与国际先进水平仍有一定差距。

3.3 发展趋势

• 下游需求驱动：新能源汽车、智能电网、高铁等新兴领域的快速发展，为功率半导体分立器件带来新的增长机遇。
• 进口替代：我国高端产品进口依赖度高，进口替代空间广阔，国家正加快自主技术发展。
• 宽禁带器件前景：SiC和GaN器件具有显著的性能优势，未来有望成为主流功率电子开关器件，带动行业向更高功率、更高效方向发展。

标准化现状

4.1 国外标准化现状

• IEC标准：IEC/TC47负责制定半导体分立器件、集成电路等的国际标准，包括60747系列标准和62435系列长期贮存标准。
• JEDEC标准：在半导体分立器件领域具有重要影响力，涵盖术语、外形、测试方法等，制定流程快速，兼顾小企业利益。
• AEC标准：制定汽车用电子元器件的统一评价标准，提高产品可靠性，推动其在汽车、航空、航天等高可靠性领域应用。
• 美军标：包括MIL-PRF-19500、MIL-STD-750等标准，对器件的性能、试验方法、外形尺寸等进行详细规范，分为JAN、JANTX、JANTXV、JANS四个等级。
• NASA标准：主要基于美军标，涵盖航天用器件的筛选、鉴定、降额等要求。
• ESA标准：在欧洲航天领域具有影响力，主要基于美军标，同时制定了一些独特的评估程序。
• JAXA标准：借鉴美军标，但结合自身需求进行调整，如将耐辐照试验纳入E组。

4.2 国内标准化现状

• 民用标准：我国已建立较为完整的民用功率半导体分立器件标准体系，由SAC/TC78负责归口管理。
• 军用标准：目前尚未形成完善的军用标准体系，与国际标准相比仍存在较大差距。
• 标准化建议：应完善标准体系，填补空白领域；加强宽禁带材料的标准化研究；注重军标与民标的协调；鼓励高质量团体标准的制定。

标准化发展目标与建议

5.1 标准体系构建原则

• 完善标准体系，提高标准的适用性；
• 加强与国际标准的接轨，提升标准的国际影响力；
• 促进标准与产业发展同步，推动标准的动态更新；
• 注重军用与民用标准的协调，实现标准体系的统一。

6.1 发展目标

• 建立覆盖全产业链的标准化体系；
• 提高国产器件的标准化水平，增强国际竞争力；
• 推动宽禁带半导体器件的标准化，促进其产业化应用。

6.2 发展建议

• 完善标准体系：填补空白领域，建立更全面的行业标准。
• 加强新材料标准化：重点发展SiC和GaN等宽禁带材料的标准化研究。
• 应对功率模块标准化新挑战：随着功率模块应用激增，需加强相关标准研究。
• 分类制定标准：根据不同应用领域制定相应的标准，以满足多样化需求。
• 鼓励团体标准发展：支持行业协会制定高质量的团体标准，推动行业协同发展。
• 加强军民标准协调：统一军用和民用标准，避免重复建设，提高标准的适用性。

附录内容

• IEC标准转化情况：我国已将部分IEC标准转化为国家标准，用于指导行业发展。
• 现行民用标准清单：涵盖功率半导体器件的多个方面，如术语、外形、测试方法等，是行业发展的基础。

总结

功率半导体分立器件作为现代电子系统的核心组件，具有广泛的应用前景和重要的战略意义。随着技术的发展和市场需求的扩大，我国在该领域的标准化工作也需加快步伐，以提升产品质量、推动产业升级、增强国际竞争力。通过完善标准体系、加强宽禁带材料的标准化、促进军民标准协调，我国有望在功率半导体分立器件领域实现从“跟跑”到“并跑”甚至“领跑”的转变。