从“电力美国”项目布局看我国化合物半导体产业发展路径

　　文/朱邵歆 黄伟熔(工业和信息化部赛迪研究院)

　　2018年8月，美国制造创新中心“电力美国”发布了新一批项目名单，继续推动化合物半导体制造能力提升、应用推广和人才环境建设。目前我国已基本完成化合物半导体的产业体系构建和方向布局，但技术水平和市场能力与国际企业有明显差距，同时面临不少挑战，比如国际技术和市场封锁、市场和产业未能协同发展、地方政府投资盲目。基于此，赛迪智库集成电路研究所提出4点建议：以5G和新能源汽车作为市场突破口，加快建设化合物半导体领域国家级制造业创新中心，加大关键技术和制造能力投入力度，建立项目投资窗口指导机制。

　　“电力美国”(Power America)成立于2014年12月，原名“下一代电力电子制造创新中心”，是美国国家制造创新网络(National

　　Network for Manufacturing Innovation)组建的14家制造创新中心

　　(Institute for Manufacturing Innovation)之一。“电力美国”由美国能源部资助，由北卡罗来纳州立大学牵头成立，初始成员包括18家企业和7家大学及实验室，研究经费合计1.46亿美元，支持时间为5年。“电力美国”定位于推动以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)化合物半导体为基础的新一代电力电子技术研究和产业化应用。2018年8月，“电力美国”发布了新一批的6个支持项目名单，支持的总项目数达到26个，支持的研究机构和企业20家，涉及制造技术、应用推广和人才环境。“电力美国”支持和布局的方向对我国化合物半导体产业发展具有重要参考意义。

　　一、“电力美国”重点布局化合物半导体制造技术、应用推广和创新环境

　　1.重点布局器件制造技术和加工平台

　　“电力美国”共布局了4个项目来支持提升SiC电力电子器件的制造能力，承担项目的企业包括美国Wolfspeed公司(全球技术最领先的SiC器件企业)、德国X-Fab公司的美国工厂(全球最大的SiC器件代工厂)、美国Microsemi公司、美国GeneSiC公司。项目主要支持建设6英寸的SiC电力电子器件生产线和开发3.3kV-6.5kV高电压SiC电力电子器件制造技术。此外，“电力美国”依托Wolfspeed、美国海军研究所和美国通用电气航空系统公司，支持3个项目用于开发SiC功率模组制造技术。

　　2.重点布局应用技术和商业化产品

　　“电力美国”共布局了14个项目来推动化合物半导体技术的商业应用。应用方向包括重型电动汽车、电机驱动系统、光伏逆变器、数据中心电源、微电网电力调节系统、无线充电、高速高压交流驱动、配电网络、双向开关，基本覆盖了SiC和GaN电力电子器件的优势应用市场。承担项目的成员包括Infineon、ABB、东芝等全球器件龙头企业，弗吉尼亚理工大学等美国高校，通用电气、约翰迪尔等应用企业。尤其是最新一批项目中，创新中心依托德国Infineon公司(2014年收购了美国的IR公司)，布局面向无线充电和快速充电等新兴消费电子市场的硅基GaN电力电子器件技术。

　　3.重点布局人才培养和创新环境

　　“电力美国”共布局了5个人才培养和创新环境建设项目，承担主体均为美国高校，包括伦斯勒理工学院和创新中心牵头单位北卡罗来纳州立大学。项目支持方向包括GaN电力电子器件的设计流程和文件、逆变器设计空间探索教学工具软件、研究生实验室、电力电子教学实验室。通过项目支持，为在校大学生提供了一系列的针对性教学课程和应用创新环境，使其更快掌握基于GaN和SiC电力电子系统的设计方法和实践经验，锻炼其开发新兴应用场景的创新能力，为创新中心成员企业培养优秀的化合物半导体电力电子设计工程师。

　　二、我国化合物半导体产业现状和面临的问题

　　1.基本完成产业链体系构建和产业方向布局

　　相比于硅器件和集成电路，国内的化合物半导体产业与国外差距相对较小。依托国内早期LED产业的发展，我国在化合物半导体领域初步具备了人才、材料和装备等产业配套能力。在产业链环节，国内已经具备SiC衬底和外延材料的供应能力和器件制造能力。在产业方向上，国内企业在射频器件和电力电子器件领域均有涉及。在技术路线上，硅基GaN器件、SiC基GaN器件和SiC器件技术均有技术积累。在企业方面，中车时代电气、中电科下属研究所等成长势头良好，部分产品和技术已接近或达到行业领先水平。国家集成电路投资基金通过入股三安光电，支持其建设化合物半导体制造厂;中国风险投资公司入股苏州能讯，支持其建设4/6英寸GaN器件制造生产线;中车时代电气在国家02专项的支持下，已建成6英寸SiC器件生产线，预计2018年底量产。(表1)

　　插入PDF原文第5页表

　　表1 我国化合物半导体产业体系一览

　　2.技术水平和市场能力与国际龙头企业差距明显

　　从整体看，国内企业与国际领先企业依然存在明显差距，表现在技术、产品和市场三个方面。以SiC电力电子器件为例，技术方面，由于资金投入不足，国内的生产制造能力落后。目前尚无批量生产的6英寸SiC生产线，4英寸线也多为小规模中试线。德国Infineon等企业已全部使用6英寸生产线。产品方面，国内企业主要提供SBD二极管等单个产品，尚不能制造性能可靠的MOSFET产品，且不具备SiC电源系统的整体方案设计能力。Infineon凭借其强大的电源解决方案能力，推出了一系列SiC和GaN产品。Wolfspeed公司发布了首个满足汽车标准AEC-Q101的SiC MOSFET产品。市场方面，国内企业十分弱小，在新能源汽车等关键市场不具备话语权和影响力，很难进入国际供应链。国际龙头企业已开始大举开拓光伏逆变器和新能源汽车等市场，ST公司的SiC功率模组已经应用于特斯拉的Model 3电动车中。

　　3.面临国际技术禁运和市场封锁

　　国际技术合作和企业并购是国内企业快速提升技术水平和进入全球市场的“快捷路径”。然而，化合物半导体是有源相控阵雷达、毫米波通信、军用卫星、激光武器等军事装备中的关键器件，被列入国际《瓦森纳安排》(Wassenaar Arrangement)军民两用技术和产品的出口管制清单。SiC高纯单晶衬底等一系列关键设备和材料受到以美国为代表的国际技术禁运和封锁。中国资本的国际并购频频被否决，包括收购德国Aixtron(化合物半导体MOCVD设备企业)、美国Lumileds(化合物半导体LED照明企业)和美国GCS(化合物半导体制造企业)等。2018年8月1日，美国商务部宣布将44家中国企业列入出口管制名单，限制向这些企业出口和转移美国技术。进入美国市场的企业也不得与名单中的企业进行技术合作。电科13所和55所等国内技术领先的化合物半导体研究机构均被列入管制名单。

　　4.市场和产业未能协同发展

　　我国拥有全球最大的化合物半导体应用市场，除了传统市场外，新兴市场如新能源汽车正在蓬勃发展，5G通信也在加速部署，这些都将极大拉动化合物半导体市场需求。然而，巨大的市场优势尚未有效转化为产业发展的牵引力。一方面，集成电路是高度国际化、市场化的产业，在国际政治环境允许的情况下，国内应用企业由于路径依赖等原因会优先采购全球领先的化合物半导体供应商的产品，对国内产品使用意愿不强。另一方面，国内的化合物半导体企业在行业市场和消费市场均很难实现突破。在行业市场，需要器件企业与整机企业形成长期稳定的合作，共同提升产品的可靠性和稳定性;在消费市场，需要器件企业具备规模

　　产能和出色的成本管理能力。这对于国内实力较弱的化合物半导体企业来说，无论技术还是管理方面，任务都非常艰巨。

　　5.地方政府项目投资盲目

　　跟随集成电路的政策东风，化合物半导体呈现出“投资热”。集成电路作为中央政府鼓励支持的产业，受到了地方政府的高度重视。起步早、实力强的重点城市已抢先布局了12英寸代工生产线项目和存储器制造项目，投资规模可达上千亿元。起步晚、实力弱的城市在选择产业发展方向时，大多瞄准了投资规模小、市场前景好、具备“弯道超车”机会的化合物半导体。然而，由于这些城市在集成电路产业领域缺乏发展经验和专业认识，招商引资时信息严重不对称，对化合物半导体的市场定位和发展前景的判断不够准确，扶持政策缺乏可持续性和精准性。尤其是近年来，境外的所谓“科技人才”打着化合物半导体“全面替代硅”的旗号，组建“临时拼凑”的技术团队，怀揣“空手套白狼”的侥幸心理，“游走”于国内多个城市，“忽悠”地方政府。

　　三、对我国化合物半导体产业发展路径的思考与建议

　　1.以5G通信和新能源汽车作为应用市场的突破口

　　依托大国大市场和政府组织协调优势，在新能源汽车和5G通信两个市场，加大国产化合物半导体产品的试用和验证。政府组织应用企业和化合物半导体企业成立试用验证平台，并出台保险补偿机制，鼓励整机企业敢用、愿用国产产品。通过真实应用环境考验，不断试错、发现和解决器件问题，提升国内化合物半导体企业的市场竞争力，降低国内应用企业的供应链安全风险。

　　2.加快建设化合物半导体领域的国家级制造业创新中心

　　依托制造业创新中心实现关键共性技术和应用技术的开发。一是在5G通信领域尽快成立5G中高频器件国家级制造业创新中心。推动北京、深圳等地发挥各自优势，完成省级创新中心的筹备工作，并择优支持升级为国家级。二是在电力电子领域尽快成立国家级制造业创新中心。中车时代电气公司已在湖南发起成立功率半导体省级创新中心，应协调和推动其吸纳更多的成员单位，升级为国家级。探索吸纳国际龙头企业加入创新中心。

　　3.加大在关键技术和制造能力上的投入力度

　　一是依托制造业创新中心建立化合物半导体中试研发生产线，拓展制造工艺，提升工艺的稳定性。二是围绕中试研发线，推动国产衬底材料、外延材料、MOCVD设备等配套环节的试用验证工作，尤其是推动高纯SiC单晶衬底尽快实现技术突破。三是加大在制造能力上的投入力度，依托具备技术积累的龙头企业，继续建设具备量产能力的6英寸SiC器件生产线。

　　4.建立项目投资的窗口指导机制

　　推动省市建立集成电路的窗口指导机制，并将化合物半导体列入窗口指导。在项目投资决策前，地方政府通过指导窗口委托中立的产业发展咨询机构对产品市场方向、技术团队能力等进行评估，解决信息不对称问题，避免不符合地方发展需求和实际的化合物半导体项目盲目落地。