2019版功率半导体分立器件产业及标准化白皮书.docx

2019版功率半导体分立器件产业及标准化白皮书I 目 录 1 前言 . 1 2 功 率 半导 体 分立 器 件概述 . 3 2.1 功 率 半导 体 分立 器 件的 概 念 . 3 2.2 功 率 半导 体 分立 器 件的 分 类 . 4 2.3 功 率 半导 体 分立 器 件的 应 用 . 7 2.4 功 率 半导 体 分立 器 件关 键 工艺 . 8 2.4.1 外 延 工艺 技 术 . 8 2.4.2 光 刻 工艺 技 术 . 9 2.4.3 刻 蚀 工艺 技 术 . 9 2.4.4 离 子 注入 工 艺技术 . 9 2.4.5 扩 散 工艺 技 术 . 10 2.5 功 率 半导 体 分立 器 件 . 10 2.5.1 功 率 二极管 . 10 2.5.2 晶 闸 管 . 11 2.5.3 晶 体 管 . 11 2.5.4 功 率 半导 体 分立 器 件模块 . 14 2.5.5 宽 禁 带功 率 半导 体 器件 . 14 3 功 率 半导 体 分立 器 件发 展 现状 及 发展 趋 势 . 17 3.1 功 率 半导 体 分立 器 件发 展 现状 . 17 3.1.1 全 球 产业 发 展现状 . 17 3.1.2 国 内 产业 发 展现状 . 19 II 3.2 我 国 功率 半 导体 分 立器 件 发展 趋 势 . 25 3.2.1 下 游 需求 旺 盛为 功 率半 导 体分 立 器件 带 来新 机 遇 . 25 3.2.2 高 端 产品 进 口替 代 空间 广 阔 . 27 3.2.3 宽 禁 带功 率 分立 器 件是 行 业持 续 发展 的 重要 保 障 . 30 4 功 率 半导 体 分立 器 件标 准 化现状 . 35 4.1 国 外 标准 化 现状 . 35 4.2 国 内 标准 化 现状 . 48 4.2.1 国 内 民用 标 准现状 . 48 4.2.2 国 内 军用 标 准现状 . 48 5 功 率 半导 体 分立 器 件标 准 体系 . 50 5.1 标 准 体系 的 构建 原 则 . 50 5.2 我 国 功率 半 导体 分 立器 件 标准 体 系 . 51 5.2.1 基 础 标准 . 53 5.2.2 产 品 标准 . 57 6 功 率 半导 体 分立 器 件标 准 化发 展 目标 及 建议 . 66 6.1 发 展 目标 . 66 6.2 发 展 建议 . 67 6.2.1 完 善 标准 体 系， 填 补空 白 领域 . 67 6.2.2 着 重 发展 新 材料 领 域标 准 化研究 . 67 6.2.3 功 率 模块 应 用激 增 ，带 来 标准 研 究新 问 题 . 70 6.2.4 针 对 不同 领 域的 应 用环 境 与要 求 制定 相 关标准 . 71 6.2.5 鼓 励 发展 高 质量 的 团体 标 准 . 73 6.2.5 标 准 体系 后 续构 建 应注重军 标 与民 标 的协调 . 73 III 附录 1 功 率 半导 体 分立 器 件 IEC 标 准 转化 情 况 . 75 附录 2 功 率 半导 体 分立 器 件现 行 民用 标 准清单 . 82 1 1 前言 功率半导体器件是目前世界上发展最为迅速和竞争最为激烈的产业之一，功率半导体器件属于电子行业产业链中的通用基础产品， 作为电子系统中的最基本单元，在汽车电子、消费电子、网络通信、电子设备、航空航天、武器装备、仪器仪表、工业自动化、医疗电子 等行业都起着至关重要的作用，在实施中国制造 2025规划中具 有重大意义。 就像中央处理器 (CPU)是一台计算机的心脏一样，功率半导体分 立器件是现代功率半导体装置的心脏，虽然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。没有领先的器件，就没有领先的设备，功率半导体分立器件对功率半导体技术领域的发展起着决定性的作用。 本白皮书以新时代标准化工作总体思路为指导，主要阐述功率半 导体分立器件的基本概况、行业发展现状与趋势，国内外标准化现状， 梳理功率半导体分立器件标准体系中已发布、制定中、待制定标准， 重点分析我国功率半导体分立器件标准化体系，对标准化需求和实施 路径进行研究，提出潜在的标准化工作方向和标准化建设建议，为更 好地引导功率半导体分立器件产业健康良好、可持续发展提供参考， 支撑制造强国战略实施。 本白皮书编写专家来自功率半导体器件产业链上下游各个环节 相关企事业单位，并面向全行业进行了广泛的征求意见。但由于编者 2 水平有限，疏漏和不足之处，欢迎读者批评指正，编制组将根据技术发展和行业意见进行持续修订完善。 3 2 功率半导体分立器件概述 2.1 功率半导体分立器件的概念 功率半导体器件（ Power Electronic Device）又称为电力电子器件和功率电子器件，是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电 能的变换或控制的电子器件，其作用主要分为功率转换、功率放大、 功率开关、线路保护和整流等。功率半导体大致可分为功率半导体分 立器件 （ Power Discrete） (包括功率模块 )和功率半导体集成电路 （ Power IC） 两大类，在半导体产业中的结构关系如图 1 所示。其中， 功率半导体分立器件是指被规定完成某种基本功能，并且本身在功能 上不能再细分的半导体器件。 图 1 半 导 体产 业 结构 关 系 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)，标志了功率半导体分立器件的诞生。功率半导体分立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 4 的新发展阶段。 功率半导体分立器件作为介于电子整机行业以及上游原材料行业之间的中间产品，是电子与信息行业的基础及核心，半导体功率器件全产业链结构如图 2 所示。 图 2 半 导 体功 率 器件 全 产业 链 结构 2.2 功率半导体分立器件的分类 2.2.1 器件结构 按照器件结构，现有的功率半导体分立器件可分二极管、功率晶体管、晶闸管等，其中功率晶体管分为双极性结型晶体管（ BJT）、 结型场效应晶体管 （ JFET） 、金属氧化物场效应晶体管 （ MOSFET） 和 5 绝缘栅双极晶体管 （ IGBT） 等。 2.2.2 功率处理能力 按照功率处理能力，现有的功率半导体分立器件可分为低压小功率半导体分立器件、中功率半导体分立器件、大功率半导体分立器件和高压特大功率半导体分立器件。 2.2.3 驱动性质 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，现有的功率半导体分立器件 （ 除功率二极管外 ） 可分为电流驱动型与电压驱动型。 电流驱动型：通过从控制端注入或抽出电流实现其关断的功率半导体分立器件。 电压驱动型：通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号实现导通或关断的功率半导体器件。 2.2.4 控制程度 按照控制电路信号对器件的控制程度，现有的功率半导体分立器件可分为不可控型、半控型和全控型。 不可控器件：不能通过控制信号来控制其通断的功率半导体分立器件，代表器件为功率二极管； 半控器件：通过控制信号能够控制其导通而不能控制其关断的功率半导体分立器件，代表器件为晶闸管及其大部分派生器件； 全控器件：通过控制信号既能够控制其导通，又能够控制其关断的功率半导体分立器件，代表器件有绝缘栅双极晶体管、功率场效应晶体管、门极可关断晶闸管等； 6 2.2.5 导电情况 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，现有的功率半导体分立器件可分为单极型器件、双极型器件和复合型器件。 单极型器件：有一种载流子 （ 电子或空穴 ） 参与导电的功率半导体分立器件； 双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电的功率半导体分立器件； 复合型器件：由单极型器件和双极型器件集成混合而成的功率半导体分立器件； 2.2.6 衬底材料 按照功率半导体器件衬底材料的不同，现有的功率半导体分立器件的材料可分为三代： 第一代半导体材料主要是以锗 （ 早期产品，现已不常见 ） 和硅为代表。 20 世界 50 年代，锗在半导体中占主导地位，主要应用于低压、低频、中功率晶体管，但锗材料的耐高温和抗辐射能力较差， 60 年 代后逐渐被硅材料所取代。用硅材料制造的半导体器件，耐高温和抗 辐射性能较好。由于硅材料储量丰富，提纯 与结晶方便，二氧化硅薄膜的纯度高，绝缘性能好，器件的稳定性与可靠性大为提高。硅材料 是目前应用最多的一种半导体材料。 第二代半导体材料主要是以砷化镓（ GaAs）和磷化铟（ InP）为代表的化合物半导体材料，适用于制造高频、高速、大功率半导体器件。 第三代半导体材料主要是以即碳化硅（ SiC）、氮化镓（ GaN）为