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大陸功率半導體高速成長 但90%高端依賴進口
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功率半導體分立器件為半導體行業的主要組成部分,更是發電、輸電、變配電、用電、儲能、家用電器、IT產品、網路通訊等領域的基礎核心部件,因而功率半導體在人民生活和工業生產中得到廣泛的應用,甚至隨著物聯網、雲計算、新能源、節能環保等電子資訊產業新領域的發展,中高階的功率半導體器件也將迎來新一輪的發展高峰。

事實上,2018年大陸功率半導體市場規模預計將由2016年的1496億元(人民幣,下同)成長至2263.8億元,顯然未來成長空間仍大;不過大陸半導體企業技術水準相對落後,優勢產品種類相對單一,和國際一流半導體公司在全控型功率半導體分立器件市場上的競爭能力上有明顯差距,特別是高階產品領域,90%的市場佔有率被美日歐等國際企業佔據, 顯然大陸進口替代空間巨大。

而新能源產業發展為功率半導體產業發展提供了新的契機,主要是大陸新增大量的電力管控需求,而功率半導體分立器件透過降低電子產品、電力設備的電能損耗,實現節能環保,是電能控制系統節能減排的基礎技術和核心技術,再者,功率器件約占新能源汽車整車價值量的價值量10%,Mosfet、IGBT等功率模組亦是充電樁/站等設備核心電能轉換器件, 況且新能源產業屬於新興產業,需求量已逐漸放大,而國外企業尚未對下游形成綁定,給予大陸企業提供絕佳的切入時機。

另一股助攻的力道則是來自於大陸官方的政策扶植,包括2016年的《「十三五」國家戰略性新興產業發展規畫》、2017年的《戰略性新興產業重點產品和服務指導目錄》等,前者主要是使功率半導體分立器件產業將迎來新的一輪高速發展期,而後者政策主要是進一步明確電力電子功率器件的地位和範圍。

整體而言,隨著新能源車和高階工控對新型功率器件的需求爆發,大陸功率半導體的產業地位正在逐步提升,其重要性已不亞於規模更大的積體電路,未來更將受益于政策紅利及自主替代必然趨勢,而使對岸功率半導體進入快速發展期。

崛起的中國功率半導體,日本如鯁在喉
中國的經濟發展日新月異,應對能源需求的擴大是當務之急,已經成為了功率半導體器件的消費大國。因此,在日本、美國、歐洲的功率半導體器件廠商進駐中國的同時,中國廠商也實現快速發展,各國廠商展開了激烈的開發競爭。這使得在中國申請的功率半導體器件技術專利也出現了激增。

時刻警惕的日本專利廳通過“2014年專利申請技術動向調查”,對中國功率半導體器件專利的申請動向進行調查和分析,認為中國功率半導體的崛起,會對他們造成威脅。
 
他們指出,2008年之前,在中國申請的功率半導體器件技術專利一直維持在每年300~400件左右,從2009年起,申請數量開始激增,2011年為900件,2012年超過850件。其中,日本、中國、歐洲籍的申請數量增長最快,中國籍的增長尤為顯著:

(1)中國以Si基板的技術開發為中心
按照基板材料統計專利申請數量(在2003~2012年期間,日本籍申請人申請的使用Si(矽)作為基板材料的技術專利合計為497件(占在中國申請總數的25.2%)。而中國籍的申請數量為729件(37.0%),約為日本籍的1.5倍。
使用SiC(碳化矽)基板的技術專利方面,日本籍為284件(占在中國申請總數的50.4%),中國籍為84件(14.9%),使用GaN(氮化鎵)基板的技術專利方面,日本籍為268件(47.5%),中國籍為86件(15.2%)。通過分析中日申請的基板材料專利可以看出,日本正在向開發SiC基板和GaN基板技術轉型,而中國尚處在以Si基板為中心的階段。

(2)MOSFET開發一舉取得進展
按照元件種類進行統計,在MOSFET*元件專利方面,日本籍為679件(占在中國申請總數的26.9%),中國籍為677件(26.9%),數量基本相當。不過,在2008年之後,中國籍的申請數量開始增加,2011年之後的申請數量超過了日本籍。在IGBT*專利方面,日本籍為527件(44.9%),中國籍為267件(22.7%)。中國的申請數量同樣是在2008年之後開始增加。

*IGBT=InsulatedGateBipolarTransistor的縮寫,能夠在高電壓、大電流環境下,以低導通電阻進行工作。常用於空調等消費類家電,工業設備、汽車、鐵路。

由此可以看出,大約從2008年開始,MOSFET與IGBT都在中國掀起了研發熱潮。為了更詳細地進行分析,我們比較了2012年MOSFET和IGBT的申請數量,日本籍的申請數量基本相同,而中國籍申請的MOSFET專利較多。從2008年~2012年期間中國籍申請專利的增加數量來看,也是MOSFET的數量較多。這可以認為是中國將發展的重心放在了MOSFET上面。

(3)中國在晶圓工藝上展現優勢
按照申請人國籍統計每種製造工藝專利的申請數量,在介電膜形成、金屬膜形成、蝕刻等晶圓工藝方面,日本籍的申請數量少於中國籍。而在晶片焊接、引線鍵合和封裝處理等組裝方面,日本籍的申請數量多於中國籍。由此可知,中國在晶圓工藝研發上的投入大於組裝。

(4)日本企業的發展方向,發揮優勢確保競爭力
本次調查的結果表明,在功率半導體器件中,日本依然掌握著SiC基板和GaN基板的技術優勢。這些基板材料適用於汽車和發電系統,日本應當面向這些用途進行開發。

而在MOSFET領域,中國正在積極開展研發。由此可以預計,中國廠商會在今後全面進軍MOSFET領域,價格競爭將會愈演愈烈。因此,為了防止捲入MOSFET領域的價格競爭,日本企業應當儘快轉型,轉而開發傳輸設備和工業設備、電力系統使用的高端IGBT產品。

而且,在製造工藝方面,重要的是要在晶圓工藝上緊緊咬住中國廠商,在組裝上發揮優勢,以確保在中國市場上的競爭力。
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