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电力电子器件产业发展蓝皮书(2016-2020年)

  • 2017-01-13 09:39:56

目 录
  一、发展电力电子器件产业的重要意义..1
  (一)电力电子技术的基本涵义.. 1
  (二)电力电子技术的重大作用..... 1
  (三)电力电子器件是电力电子技术的基础和核心...3
  (四)电力电子器件简介... 3
  二、电力电子器件产业发展状况及趋势.. 8
  (一)国际发展状况... 8
  (二)国内发展状况...11
  三、 电力电子器件的市场分析及预测.. 14
  (一)国际市场分析.. 14
  (二)国内市场分析..15
  (三)市场预测... 16
  四、2016-2020年电力电子发展重点... 19
  (一)关键材料....20
  (二)关键电力电子器件....22
  (三)关键设备....23
  (四)技术标准....25
  五、 展望....27
  一、发展电力电子器件产业的重要意义
  (一)电力电子技术的基本涵义
  电力电子技术(Power Electronics,又称功率电子技术)是能源高效转换领域的核心技术,它以电力电子器件为基础,实现对电能高效地产生、传输、转换、存储和控制,提高能源利用效率、开发可再生能源,推动国民经济的可持续发展。电力电子技术包括电力电子器件、电力电子设备和系统控制三个方面,其转换功率范围小到数瓦(W),大到数百兆瓦(MW)甚至吉瓦(GW),其产业不仅涉及到电力电子器件、电力电子装置、系统控制及其在各个行业的应用等领域,还涉及到相关的半导体材料、电工材料、关键结构件、散热装置、生产设备、检测设备等产业。
  (二)电力电子技术的重大作用
  近年来,“节能减排”、“开发绿色新能源”已成为我国长期发展的基本国策。在我国绿色能源产业发展的推动下,电力电子技术迅速发展成为建设节约型社会、促进国民经济发展、践行创新驱动发展战略的重要支撑技术之一。
  电力电子技术作为一种通过高效转换提供高质量电能,实现节能、环保和提高人民生活质量的重要技术,已经成为弱电控制与强电运行相结合、信息技术与先进制造技术相融合、实现智慧化升级不可或缺的重大关键核心技术,属关键共性技术领域。
  电力电子技术在实施《中国制造2025》规划中具有重大意义,它在多个领域发挥关键作用:例如,提高有关产业的关键核心技术的研发能力和创新能力,推进科技成果产业化;通过“互联网+”推进信息化与工业化深度融合;加快发展智能制造设备和产品,推进制造过程的智慧化;增强工业基础能力和产业化;全面推行绿色制造,推进资源高效循环利用;深入推进制造业结构调整和企业技术改造等,为实施中国制造强国建设“三步走”的发展战略提供强大的技术支撑。
  将电力电子技术应用于发电、输电、变电、配电、用电、储能,能够起到改善电能、控制电能、节能环保的作用,使电网的工频电能最终转换成不同性质、不同用途的高质量电能,以适应千变万化的用电装置的不同需要。我国工业领域使用了大量的轧机、无轨电车、电焊机、电镀和电解电源、风机、水泵等机电设备,具有巨大的效率提升需求和空间。电力电子技术被称为是“节能的先锋”、“环保的卫士”,是节能减排的重要技术之一。
  (三)电力电子器件是电力电子技术的基础和核心
  半个多世纪电力电子技术的发展证明:没有领先的器件,就没有领先的设备,电力电子器件对电力电子技术领域的发展起着决定性的作用。就像中央处理器(CPU)是一台计算机的心脏一样,电力电子器件是现代电力电子装置的心脏。电力电子器件的价值通常不会超过整台装置总价值的10~30%,但它对装置的总价值、尺寸、重量和技术性能起着十分重要的作用。从历史上看,电力电子器件像一颗燃起电力电子技术革命的火种,每一代新型电力电子器件的出现,总是带来一场电力电子技术的革命。
  (四)电力电子器件简介
  电力电子器件是采用半导体材料制造、用于实现电能高效转换的开关控制电子器件,包括功率半导体分立器件、模块和组件等,主要有功率二极管和功率晶体管两大类。1957年美国通用电气公司(GE)研制出世界上第一只工业用普通晶闸管(Thyristor),标志着电力电子器件的诞生。电力电子器件的发展经历了以晶闸管为核心的第一阶段、以MOSFET和IGBT为代表的第二阶段,现在正在进入以宽禁带半导体器件为核心的新发展阶段。
  1.功率二极管
  功率二极管有阳极(A)和阴极(K)两个电极,具有单向导电的特性,主要类型有PiN二极管和肖特基二极管(SBD)两种。PiN二极管有高耐压、大电流、低泄漏电流和低导通损耗的优点,但电导调制效应在漂移区中产生的大量少数载流子降低了关断速度,限制了器件向高频化方向发展,代表性器件是快恢复整流二极管(FRD)。肖特基二极管具有低压、大电流、低功耗、高速开关等特性,在高频整流、开关电路和保护电路中作为整流和续流元件,可以大幅度降低功耗,提高电路效率和使用频率,减少电路噪声,但是存在不能承受较高电压的缺点。
  2.晶闸管
  晶闸管具有PNPN或NPNP四层半导体结构,它的阳极(A)和阴极(K)与电源和负载组成晶闸管的主电路;它的门极(G)和阴极(K)与外部驱动装置组成晶闸管的控制电路。它能在高电压、大电流条件下工作,但工作频率较低。在晶闸管的基础上开发了门极可关断晶闸管(GTO)和集成门极换流晶闸管(IGCT)等新型器件。
  GTO是晶闸管的一种派生器件,可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断, 其电压电流容量较大,目前GTO的最高研究水平可以达到12000V /10000A,在高压大功率牵引、工业和电力逆变器中应用较为普遍。集成门极换流晶闸管(IGCT)是一种用于大型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件,它集IGBT的高速开关特性和GTO的高阻断电压和低导通损耗特性于一体,具有电流大、阻断电压高、开关频率高、导通损耗低、可靠性高、结构紧凑等特点。
  3.功率双极型晶体管(BJT)
  功率双极型晶体管(BJT)是最早出现的全控型、电流控制电力电子器件,它有基极(B)、发射极(E)和集电极(C)三个电极,通过基极电流的控制作用实现对发射极与集电极之间电流的开关控制。它通过少子注入实现了电导调制,既具备饱和压降较低、安全工作区宽等优点,也存在驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏等缺点。随着功率MOSFET和IGBT的出现,它基本上被后两者所替代,只在某些成本要求低的中等容量、中等频率领域有一定的应用。
  4.功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)
  功率MOSFET是一种单极型的电压控制器件,它有栅极(G)、漏极(D)和源极(S)三个电极。栅极通过绝缘层与漏极和源极隔离,并调控源极与漏极之间形成载流子输运的沟道,实现控制器件开关的目的。由于不受少子储存效应的限制,能够在很高的频率(>100kHz)下工作,其导通电压具有正温度特性,易于并联以扩大电流容量,并具有较好的线性输出特性和较小的驱动功率。代表性的硅基功率MOSFET器件是垂直导电双扩散场效应晶体管(VDMOS),是低压范围内应用最广的电力电子器件,但在高压应用时其导通电阻随耐压急剧上升,给高压功率MOSFET的应用带来了很大障碍。
  CoolMOS是一种特殊的功率场效应晶体管,它作为一种超级结器件,克服传统功率MOSFET导通电阻和击穿电压的矛盾,可以实现器件导通电阻和击穿电压的最佳化设计。最新一代CoolMOS在额定脉冲电流容量下能兼有极低的通态电阻和超快的开关速度,其阻断电压能力可覆盖500~800V的范围。
  5.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)
  绝缘栅双极型晶体管,是由功率MOSFET和BJT组成的复合全控型电压驱动式器件,它由栅极(G)、发射极(E)和集电极(C)三个电极,综合了MOSFET的高输入阻抗和BJT低导通压降两方面的优点,既具有MOSFET器件驱动功率小、开关速度快的优点,又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点,其频率特性介于功率MOSFET与BJT之间,可正常工作于几十kHz频率。
  商业化的IGBT已发展成系列,其电流范围包括从2A的IGBT单管到3600A的IGBT模块,耐压范围涵盖300V到6500V。IGBT是1200V以上电压领域的主流电力电子器件,并正逐渐向高压大电流领域发展。
  传统的电力电子器件都是采用半导体材料硅(Si)来研制的。随着电力电子器件性能需求的不断提高,硅材料的物理局限性日益显现,严重制约了硅器件的电压、电流、频率、温度、耗散功率和抗辐射等性能的提高。近年来,以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料迅速发展,已开发出了各种SiC功率二极管和晶体管器件,其中,SiC功率二极管主要有肖特基二极管(SBD)、PiN二极管、结势垒肖特基二极管(JBS),SiC晶体管主要有功率BJT器件、功率JFET器件、功率MOSFET器件、IGBT和晶闸管等;GaN功率器件主要有肖特基二极管和高电子迁移率晶体管(HEMT)等。这些新型电力电子器件的出现,开启了电力电子器件领域的新局面,引起了电力电子技术领域一场新的革命。
  二、电力电子器件产业发展状况及趋势
  (一)国际发展状况
  半个多世纪以来,伴随着基于硅材料的半导体产业的发展,硅基电力电子器件得到了同步发展,形成了庞大的基于硅基电力电子器件的电力电子产业。
  在超大功率(电压3.3kV以上、容量1~45MW)领域,晶闸管和集成门极换流晶闸管(IGCT)具有巨大的市场。目前,国际上6英寸8.5kV/5kA晶闸管已商品化。瑞士ABB等公司开发了非对称型、逆导型和逆阻型IGCT的产品,研发水平已达到9kV/6kA,商业化产品有4.5kV和6kV两种系列,其中6.5kV/6kA的IGCT产品已经开始供应市场。
  在中大功率领域(电压1200V~6.5kV),IGBT是市场上的主流产品。IGBT器件(包括大功率模块、智能功率模块)已经涵盖了300V~6.5kV的电压和2A~3600A的电流。近年来,以德国英飞凌、瑞士ABB、日本三菱、东芝和富士等为代表的电力电子器件企业开发了先进的IGBT技术和产品,占有全球每年约50亿美元的市场,带动了高达几百亿美元的电力电子设备市场。
  在中小功率领域(900V以下),功率MOSFET是应用最广泛的电力电子器件,也是目前市场容量最大、需求增长最快的器件,其中以超级结为代表的新结构器件是该器件的重要发展方向。
  从上世纪90年代开始,技术领先国家和国际大型企业纷纷投入到以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体器件的研发和产业化中,对SiC材料、器件、封装、应用的全产业链进行了重点投入和系统布局,全力抢占该技术与产业的战略制高点和国际市场。
  SiC是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料,已经形成了全球的材料、器件和应用产业链。SiC材料方面的企业以Cree、II-VI、Dow Corning等为代表,其中2013年Cree开发出6英寸SiC单晶产品,其微管密度低于1个/cm2;多家公司研发出厚度超过250μm的SiC外延材料样品,并批量提供中低压器件用SiC外延材料产品。在SiC器件方面,国际上报道了10kV~15kV/10A~20A的SiC MOSFET、超过20kV的SiC功率二极管和SiC IGBT芯片样品。Cree和Rohm公司开发了SiC MOSFET产品,电压等级从650V~1700V,单芯片电流超过50A,并开发出1200V/300A、1700V/225A的全碳化硅功率模块产品。
  GaN是另一种重要的宽禁带半导体材料。它具有独特的异质结结构和二维电子气,在此基础上研制的高电子迁移率晶体管(HEMT)是一种平面型器件,可以实现低导通电阻、高开关速度的优良特性。国际上也有团队报道了垂直型的GaN电力电子器件。近年来围绕GaN半导体器件的全球研发投入以及生产规模均快速增长,其中650V以下的平面型HEMT器件已经实现了产业化。
  在电力电子器件的专利方面,2001~2010年期间,全球电力电子器件行业专利申请量处于稳步增段,每年的全球专利申请量都在1500项左右,器件类型以MOSFET和IGBT为主,申请量占比达到 67%。国际上电力电子器件的专利集中于国际大型公司,全球专利申请量居前5位的分别是东芝、NEC、日立、三菱、富士,均是日本公司,欧洲和美国的GE、英飞凌、西门子、ABB等欧美企业也在该领域申请了大量专利。国际上宽禁带电力电子器件专利始于1989年。2011~2015年期间,国际上SiC和GaN器件领域专利申请量增长迅速,据预测将在2025年左右达到峰值。
  (二)国内发展状况
  我国目前已经初步建立起了包含晶闸管、IGCT、功率MOSFET、IGBT等全系列硅基电力电子器件产业,在我国国民经济发展中发挥了重要的作用。
  在超大功率(电压3.3kV以上、容量1~45MW)领域,我国以晶闸管为代表的传统半控型器件的技术已经成熟,水平居世界前列,5~6英寸的晶闸管产品已广泛用于高压直流输电系统,并打入国际市场,形成了国际竞争力。目前我国已经研制成功7英寸晶闸管产品,并实现了IGCT产品的商业化。
  在中大功率(电压1200~6500V)和中小功率(900V以下)领域,在国家产业政策支持和国民经济发展的推动下,我国高频场控电力电子器件技术和产业取得了长足的进步,建立了从电子材料、芯片设计、研制、封装、测试和应用的全产业链。中小功率的MOSFET芯片已产业化,批量生产的单管已在消费类电子领域得到广泛应用,600~900V的MOSFET芯片正在开发中;600V、1200V、1700V/10~200A的IGBT芯片和600V、1200V、1700V/10~300A的 FRD芯片已进入产业化阶段,3300V、4500V、6500V/32~63A的IGBT和3300V、4500V、 6500V/50~125A FRD的芯片已研发成功,并进入量产阶段;IGBT模块的封装技术也上了一个大台阶,采用国产芯片的600V、1200V、1700V、3300V/200~3600A的IGBT模块已经实现量产,采用国产芯片的4500V、6500V/600~1200A的IGBT模块进入小批量的量产阶段。国产品牌IGBT芯片和模块已经形成与国际品牌竞争的态势。
  近年来,在国家各级部门的支持下,我国SiC和GaN电力电子器件实现了“从无到有”的突破,在技术研发方面有了较好的积累,个别技术水平接近国际先进水平。在SiC材料方面,国内4英寸N型SiC单晶产品已产业化,其微管密度小于1个/cm2;已经开发出了6英寸SiC单晶样品,正在进行产业化开发;在SiC外延材料方面,国内研发出了150μm以上的SiC外延材料,20μm以下的SiC外延产品已经实现量产。在SiC器件方面,国内研发出了17kV PiN二极管芯片、3.3kV/50A SiC肖特基二极管芯片、1.2kV~3.3kV SiC MOSFET芯片、4.5kV/50A SiC JFET模块等样品。目前,我国已具备600V~3.3kV SiC二极管芯片量产能力, SiC MOSFET芯片产业化能力正在形成。我国有若干科研机构和企业从事GaN材料技术的开发,目前已开发出了6英寸硅基GaN晶圆材料的产品;目前我国已经具备了600~1200V平面型GaN芯片的研发能力,并具备了600V平面型GaN器件的产业化能力。综合而言我国宽禁带电力电子器件技术和产业水平还落后于国际先进水平。
  在电力电子器件的专利方面,上个世纪90年代,我国该领域的专利主要集中于硅基功率MOSFET和IGBT。从2000年起,我国开展申请SiC和GaN电力电子器件的相关专利,2010年后,我国在该领域的专利申请数量出现明显的增长。目前我国宽禁带材料和器件的专利数量仅次于日本、美国和德国,居全球第四位,专利申请人以研究型的科研院所为主。
  三、 电力电子器件的市场分析及预测
  (一)国际市场分析
  当前,国际电力电子器件市场的年平均增长速度在15%左右,2013年市场容量将近1千亿美元,主要供应商集中在美国、日本和欧洲。美国是电力电子器件的发源地,在全球电力电子器件市场中占有重要的位置,主要器件企业有通用电气(GE)、ON Semi等。从上世纪90年代开始,日本成为国际上电力电子器件产业的发达地区,主要器件企业有东芝、富士和三菱等。欧洲也是全球电力电子器件产业的发达地区,主要企业有英飞凌、ABB、Semikron等。国际上SiC电力电子器件的主要供应商有Wolfspeed、英飞凌、罗姆、东芝、富士和三菱等公司;国际上GaN电力电子器件的主要企业有英飞凌、松下、富士通、三星、Transphom、GaN System、EPC、Avogy等。
  从器件种类看,以硅基功率MOSFET和IGBT为代表的场控型器件是国际电力电子器件市场的主力军,其中IGBT器件的年平均增长率超过30%,远高于其它种类器件。在SiC和GaN电力电子器件领域,由于国际上出现商业化产品的时间较短,并受技术成熟度和成本的制约,该领域尚处于市场开拓的初期阶段,预计将在2018~2020年进入市场爆发式增长阶段。
  (二)国内市场分析
  “十二五”期间,我国电力电子器件市场在全球市场中所占的份额越来越大,已成为全球最大的大功率电力电子器件需求市场,在此期间我国电力电子器件市场年增长率近20%。在此器件,我国的IGBT芯片实现了量产,600V、1200V、1700V、3300V、4500V、6500V的芯片和模块均能提供产品,并逐步扩大应用领域。但是,我们必须看到,我国IGBT芯片的进口率仍然居高不下,主要市场仍然被国外企业所主导,严重阻碍了我国独立自主IGBT器件产业的健康发展。
  随着战略性新兴产业的崛起,电力电子器件及装置在风能、太阳能、热泵、水电、生物质能、绿色建筑、新能源设备等先进制造业中将发挥重要作用。2013年我国的电力电子器件市场总额近2000亿元人民币,由此直接带动的电力电子装置产业的市场超过2万亿元人民币。中国电器工业协会电力电子分会预测,随着新能源革命的推动,我国电力电子器件产业将迎来10~20年的黄金发展期,将保持较高的增长态势,并在投资增量需求与节能环境需求的双重推动,以及下游电力电子装置行业需求高速发展的拉动下,我国电力电子器件市场到2020年预计将超过5000亿元人民币。
  (三)市场预测
  目前,电力电子器件市场的主力军仍然是硅基功率MOSFET和IGBT等器件。尽管这些器件已趋于成熟,但是未来几年,随着器件新结构的出现和制造工艺水平的不断提高,其性能会得到进一步提升和改良,CoolMOS、各种改进型的IGBT和IGCT仍有很强的生命力和竞争力。在未来一段时间内,以各种电力电子器件为主功率器件的电力电子装置和系统将展开激烈竞争。
  超大功率领域,晶闸管类器件在一段时间还有广泛的应用。大功率平板全压接IGBT将在这一领域向晶闸管发起挑战。未来10~15年,这一领域也将面临高压大容量碳化硅电力电子器件的挑战。
  在中大功率领域,以硅基IGBT为主功率器件的设备将广泛应用于工业电源、电机变频、通讯电源、不间断电源、工业加热,电镀电源、电焊机等领域。特别是随着我国柔性高压直流输电、轨道交通、新能源开发、电动汽车等技术的发展和市场需求的增加,高电压、大电流的IGBT器件的需求非常紧迫,需求量非常大。在接下来的5~10年内,这一领域的硅基IGBT器件将面临碳化硅电力电子器件的强劲挑战。
  在中小功率领域,以MOSFET、IGBT为主功率器件的电力电子系统和设备将在中低功率领域发挥巨大的作用,主要用于消费类领域,如电磁炉、变频空调、变频冰箱等。基于超级结技术的CoolMOS将成为重要的发展方向。在接下来的5~10年内,该领域的硅基MOSFET和IGBT器件将面临氮化镓电力电子器件的强劲挑战。
  在SiC和GaN电力电子器件领域,由于受到材料成本较高和材料质量较低以及工艺不完全成熟等因素的影响,国际上仅在650V~1700V的SiC器件和低于650V的GaN器件领域实现了产业化。近年来,全球在SiC和GaN材料和器件的研发投入以及生产规模均迅速增长,产业化技术快速成熟,具有广泛的市场前景。以SiC和GaN材料为代表的宽禁带半导体材料和器件产业已成为高科技领域中的战略性产业,国际领先企业已经开始部署市场,全球新一轮的产业升级已经开始。
  四、2016-2020年电力电子发展重点
  制造业是国民经济的主体,是立国之本、兴国之器、强国之基。没有强大的制造业,就没有国家和民族的强盛。作为制造业之一的电力电子器件产业,是关系到国计民生的高新基础性产业,在经济发展、国防建设和民生中发挥着重大的作用。电力电子器件产业主要是核心的电力电子芯片和封装的生产,但也离不开半导体和电子材料、关键零部件、制造设备、检测设备等产业的支撑,其发展既需要上游基础的材料产业的支持,又需要下游装置产业的拉动,其产业发展具有投资大、周期较长的特点。
  为建立我国独立自主的、具有国际竞争力电力电子器件产业,建议在2016~2020年在以下技术和产业进行重点布局,并制定关键材料和关键器件的相关技术标准。其中,近期发展目标为:在硅基电力电子器件用8英寸高阻区熔中照硅单晶圆片,IGBT封装用平板全压接多台架精密陶瓷结构件、氮化铝覆铜板、铝-碳化硅散热基板,6英寸碳化硅单晶及外延材料,6英寸~8英寸硅基GaN外延材料和4~6英寸碳化硅基GaN外延材料、SiC和GaN耐高温(>300ºC)封装材料等关键材料方面形成生产能力;关键电力电子器件方面,硅基IGBT芯片、模块以及硅基MOSFET、FRD的国内市场占有率达到一定的份额,形成中低压 SiC功率二极管、JFET和MOSFET以及低压GaN功率器件等器件生产能力,开发相应功率模块。2020年发展目标为:在关键材料方面,形成硅基电力电子器件所需全部材料、碳化硅6英寸单晶和厚外延材料、6~8英寸硅基GaN外延材料和4~6英寸碳化硅基GaN外延材料、SiC和GaN电力电子器件所需高温(>300ºC)封装材料等的生产能力,并建立相应标准体系和专利保护机制;在关键电力电子器件方面,硅基IGBT、MOSFET、FRD形成系列化产品,综合性能达到国际先进水平,SiC二极管、晶体管及其模块产品和GaN器件产品具有国际竞争力。
  (一)关键材料
  1.关键半导体材料
  (1)提升8英寸区熔中照高阻硅晶圆片技术,其直径≥200mm,满足IGBT芯片生产的需求,中子辐照设备和工艺上有所提高。
  (2)开发6英寸4H型SiC单晶及切磨抛圆片技术,实现零微管;开发6英寸4H型SiC同质厚外延片,满足SiC芯片生产的需求。
  (3)开发GaN外延材料技术,包括硅基GaN外延材料、碳化硅基GaN外延材料和基于GaN衬底的同质外延材料等,满足GaN芯片生产的需求。
  (4)研发基于氮化铝、氧化镓、金刚石等新型半导体材料技术。
  2.关键零部件材料
  (1)开发平板全压接多台架精密陶瓷结构件材料,满足平板全压接型IGBT制造的需求。
  (2)开发氧化铝(Al2O3)陶瓷覆铜板、氮化铝(AlN)陶瓷覆铜板、氮化硅(Si3N4)陶瓷覆铜板、铝-碳化硅(AlSiC)基板、硅凝胶、焊片(焊带)等关键零部件材料,满足焊接型功率模块制造的需求。
  (3)开发专用于SiC和GaN器件的封装材料,满足工作温度≥300ºC的需求。
  (二)关键电力电子器件
  1.硅基高频场控电力电子器件
  在硅基高频场控电力电子器件方面,突破沟槽、电场终止等关键技术的设计和制造工艺,形成规模生产能力。提升轨道交通、电力系统和新能源汽车用的高压大容量IGBT模块的产业化水平,开发超大容量平板全压接IGBT模块产品、进一步提升快恢复二极管FRD芯片和高压功率MOSFET芯片的技术水平。
  2.碳化硅电力电子器件
  (1)SiC功率二极管
  掌握600V~6.5kV SiC结势垒肖特基功率二极管的产业化技术,实现10kV以上SiC PiN功率二极管的技术突破,形成从600V到10kV及以上电压等级的SiC功率二极管系列产品的开发能力。
  (2)SiC功率晶体管
  掌握600V~6.5kV的SiC JFET和MOSFET的产业化技术,实现10kV以上SiC IGBT和SiC GTO的技术突破,具备从600V到10kV及以上电压等级的碳化硅晶体管系列产品的开发能力。
  (3)SiC功率模块
  掌握全套的SiC器件封装材料、封装设计和封装工艺技术,满足开发高压、大容量和高温SiC功率模块的需求,并掌握全套测试技术,研发整套测试设备,建立相关技术标准,为新能源汽车、新能源并网、轨道交通、新型直流输配电网等领域开发SiC功率模块产品。
  3.氮化镓电力电子器件
  (1)GaN电力电子器件
  掌握GaN肖特基二极管、HEMT晶体管、金属绝缘栅半导体场效应晶体管(MISFET)等芯片设计和工艺技术,为新能源和节能减排领域提供高频率GaN器件产品。
  (2)GaN功率模块
  掌握全套的GaN模块封装材料、封装设计和封装工艺技术,并掌握全套测试技术,研发整套测试设备,建立相关技术标准,为通讯和信息电源、分布式能源并网等领域提供GaN功率模块产品。
  (三)关键设备
  电力电子器件的关键设备包括芯片生产设备、器件封装设备和检测设备三大系列。
  1.生产设备
  硅基电力电子器件的关键设备包括晶圆减薄机、离子注入机、晶圆切割机、激光退火炉等。SiC材料和器件的核心工艺制造设备包括单晶炉、外延炉、高能离子注入机、高温氧化炉、ICP刻蚀机和超高温退火炉等。金属有机化合物化学气相外延(MOCVD)是制造GaN功率器件的关键设备。建议对以上关键生产设备的关键技术进行攻关,实现设备国产化。
  2.封装设备
  电力电子芯片的封装设备主要包括真空焊接炉、引线键合机、拣片机、贴片机、点胶机、灌胶机、气相清洗机、助焊剂清洗机等。我国已经初步建立了电力电子芯片的封装产业,但是封装所需的设备严重依赖进口。建议对真空焊接炉、引线键合机等封装设备的关键技术进行攻关,实现设备国产化。
  3.检测设备
  检测设备是电力电子器件的芯片加工和器件封装过程的必备设备。建议重点攻关以下检测设备的关键技术,实现设备国产化:
  (1)高压大电流探针测试设备及大电流步进多头探针,
  (2)满足高压大容量器件的测试需求的静、动态参数测试设备,
  (3)推拉力测试、局部放电测试、基板拱度测试、热阻测试等封装材料检测设备,
  (4)功率循环、被动热循环、高温反偏、高温栅偏、绝缘老化等可靠性测试设备,
  (5)X射线测试仪、超声测试仪等无损检测设备,
  (6)以上测试设备的测试夹具。
  (四)技术标准
  为加强电力电子器件产业领域标准的制定和知识产权保护,建议在新型电力电子器件用的关键半导体材料、关键零部件材料以及电力电子器件方面建立公共服务平台,制定面向行业的技术认证、产品检测的相关技术标准,为建立具有协同创新能力的电力电子产业体系服务。
  1.关键材料技术标准
  (1)建议制定区熔中照高阻硅晶圆片、SiC衬底晶圆片、SiC同质厚外延片、GaN异质外延片等关键半导体材料的技术标准。
  (2)建议制定平板全压接多台架精密陶瓷结构件、氧化铝(Al2O3)陶瓷覆铜板(DBC和AMB工艺)、氮化铝(AlN)陶瓷覆铜板(DBC和AMB工艺)、氮化硅(Si3N4)陶瓷覆铜板、铝-碳化硅(AlSiC)基板、硅凝胶、焊片(焊带)等关键零部件材料的技术标准。
  2.关键电力电子器件技术标准
  (1)建议制定轨道交通用IGBT、电力系统用IGBT、新能源汽车用IGBT、平板全压接IGBT、电动车辆用功率MOSFET、快恢复二极管FRD等硅基电力电子器件的技术标准。
  (2)建议制定肖特基二极管、PiN二极管、结势垒肖特基二极管、JFET、MOSFET、BJT、IGBT、晶闸管等SiC电力电子器件的技术标准。
  (3)建议制定肖特基二极管、HEMT、MISFET等GaN电力电子器件的技术标准。
  五、 展望
  电力电子器件产业是我国制造业的重要组成部分之一,在实施《中国制造2025》的规划中将发挥重大的作用。
  在“十三五”期间,要按照《中国制造2025》的精神发展我国的电力电子器件产业,要坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针,坚持“市场主导、政府引导,立足当前、着眼长远,整体推进、重点突破,自主发展、开放合作”的基本原则,将“互联网+”引入电力电子器件制造业,使信息化和电力电子器件制造产业深度融合,提高产业的技术创新能力,提升产业的制造智慧化水平,把我国从今天的电力电子器件需求大国,建设成为电力电子器件的制造大国,继而建设成电力电子器件的创造强国。