中国大陆功率半导体专利大飞跃，日企如何竞争？

    功率半导体器件是日本的优势领域。如今在这个领域，中国的实力正在快速壮大。日本要想在这个领域继续保持强大的竞争力，重要的是大力研发SiC、GaN、组装等关键技术，以确保日本的优势地位，并且向开发高端IGBT产品转型，以避开MOSFET领域的价格竞争。

功率半导体器件是用来进行电力转换和供应的半导体元件，从汽车、铁路等工业设备到空调、冰箱等消费类产品，用途十分广泛。中国的经济发展日新月异，应对能源需求的扩大是当务之急，已经成为了功率半导体器件的消费大国。因此，在日本、美国、欧洲的功率半导体器件厂商进驻中国的同时，中国厂商也实现快速发展，各国厂商展开了激烈的开发竞争。这使得在中国申请的功率半导体器件技术专利也出现了激增。

在此背景下，日本专利厅通过“2014年专利申请技术动向调查”，对中国功率半导体器件专利的申请动向进行调查和分析，搞清了在中国开展业务的世界各国半导体厂商的实际情况（PDF格式的调查报告概要）。本文将介绍本次调查的主要内容。

图1为本次调查的技术总览图。本次调查首先按照（1）基板材料、（2）元件种类、（3）制造流程，将功率半导体器件技术大致分类，然后对每个项目又进行了细分。



图1：技术总览 （点击放大）
按申请人国籍统计的专利申请数量的变化：中国厂商申请数量激增

2008年之前，在中国申请的功率半导体器件技术专利一直维持在每年300～400件左右，从2009年起，申请数量开始激增，2011年为900件，2012年超过850件。其中，日本、中国、欧洲籍的申请数量增长最快，中国籍的增长尤为显著（图2）。



图2：按申请人国籍统计的申请数量推移及比例（在中国大陆申请的专利，申请年（优先权主张年）：2003～2012年）
注：2011年以后因为数据库录入延迟，PCT申请向各国转移的时间差等原因，可能未涵盖所有数据。 （点击放大）

中国以Si基板的技术开发为中心

按照基板材料统计专利申请数量（参照图1的（1）），在2003～2012年期间，日本籍申请人申请的使用Si（硅）作为基板材料的技术专利合计为497件（占在中国申请总数的25.2％）。而中国籍的申请数量为729件（37.0％），约为日本籍的1.5倍（图3）。



图3：按申请人国籍统计的Si基板专利的申请数量推移及比例（在中国大陆申请的专利，申请年（优先权主张年）：2003～2012年）
注：2011年以后因为数据库录入延迟，PCT申请向各国转移的时间差等原因，可能未涵盖所有数据。 （点击放大）
使用SiC（碳化硅）基板的技术专利方面，日本籍为284件（占在中国申请总数的50.4％），中国籍为84件（14.9％），使用GaN（氮化镓）基板的技术专利方面，日本籍为268件（47.5％），中国籍为86件（15.2％）（图4，图5）。通过分析中日申请的基板材料专利可以看出，日本正在向开发SiC基板和GaN基板技术转型，而中国尚处在以Si基板为中心的阶段。



图4：按申请人国籍统计的SiC基板专利的申请数量推移及比例（在中国大陆申请的专利，申请年（优先权主张年）：2003～2012年）
注：2011年以后因为数据库录入延迟，PCT申请向各国转移的时间差等原因，可能未涵盖所有数据。 （点击放大）

图5：按申请人国籍统计的GaN基板专利的申请数量推移及比例（在中国大陆申请的专利，申请年（优先权主张年）：2003～2012年）
注：2011年以后因为数据库录入延迟，PCT申请向各国转移的时间差等原因，可能未涵盖所有数据。 （点击放大）

MOSFET开发一举取得进展

按照元件种类（参照图1（2））进行统计，在MOSFET*元件专利方面，日本籍为679件（占在中国申请总数的26.9％），中国籍为677件（26.9％），数量基本相当（图6）。不过，在2008年之后，中国籍的申请数量开始增加，2011年之后的申请数量超过了日本籍。在IGBT*专利方面，日本籍为527件（44.9％），中国籍为267件（22.7％）（图7）。中国的申请数量同样是在2008年之后开始增加。

*MOSFET＝Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor的缩写，可以高速开关，一般用作中小耐压器件，应用非常广泛。

*IGBT＝Insulated Gate Bipolar Transistor的缩写，能够在高电压、大电流环境下，以低导通电阻进行工作。常用于空调等消费类家电，工业设备、汽车、铁路。



图6：按申请人国籍统计的MOSFET专利的申请数量推移及比例（在中国大陆申请的专利，申请年（优先权主张年）：2003～2012年）
注：2011年以后因为数据库录入延迟，PCT申请向各国转移的时间差等原因，可能未涵盖所有数据。 （点击放大）

图7：按申请人国籍统计的IGBT专利的申请数量推移及比例（在中国大陆申请的专利，申请年（优先权主张年）：2003～2012年）
注：2011年以后因为数据库录入延迟，PCT申请向各国转移的时间差等原因，可能未涵盖所有数据。 （点击放大）
由此可以看出，大约从2008年开始，MOSFET与IGBT都在中国掀起了研发热潮。为了更详细地进行分析，我们比较了2012年MOSFET和IGBT的申请数量，日本籍的申请数量基本相同，而中国籍申请的MOSFET专利较多。从2008年～2012年期间中国籍申请专利的增加数量来看，也是MOSFET的数量较多。这可以认为是中国将发展的重心放在了MOSFET上面。


中国在晶圆工艺上展现优势

按照申请人国籍统计每种制造工艺（参照图1（3））专利的申请数量，在介电膜形成、金属膜形成、蚀刻等晶圆工艺方面，日本籍的申请数量少于中国籍。而在芯片焊接、引线键合和封装处理等组装方面，日本籍的申请数量多于中国籍（图8）。由此可知，中国在晶圆工艺研发上的投入大于组装。



图8：按技术类别（制造工艺）和申请人国籍统计的申请数量（在中国大陆申请的专利，申请年（优先权主张年）：2003～2012年） （点击放大）
日本企业的发展方向，发挥优势确保竞争力

本次调查的结果表明，在功率半导体器件中，日本依然掌握着SiC基板和GaN基板的技术优势。这些基板材料适用于汽车和发电系统，日本应当面向这些用途进行开发。

而在MOSFET领域，中国正在积极开展研发。由此可以预计，中国厂商会在今后全面进军MOSFET领域，价格竞争将会愈演愈烈。因此，为了防止卷入MOSFET领域的价格竞争，日本企业应当尽快转型，转而开发传输设备和工业设备、电力系统使用的高端IGBT产品。

而且，在制造工艺方面，重要的是要在晶圆工艺上紧紧咬住中国厂商，在组装上发挥优势，以确保在中国市场上的竞争力。