半导体功率器件用氮化硅基片专利技术专利现状.pdf

-17-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024中国科技信息 2024 年第 4 期专利分析近年来，半导体功率器件朝大功率、高密度、集成化等方向发展，因此对陶瓷散热基板提出了更高的要求。目前，氧化铝基板的热导率低、氮化铝基板的可靠性差，限制其在高端功率半导体器件中的应用。而氮化硅基片具有高热导率、高强度、高绝缘、高韧性、高可靠性及与芯片匹配的热膨胀系数等一系列优点，是目前具有综合性能的基板材料，应用前景十分广阔。对于氮化硅基片，从全球市场来看，2021 年氮化硅基片市场规模约在 4 亿美元左右，在新能源汽车等终端市场需求推动下，中国已经成为全球重要的氮化硅基片消费国，但国内此类产品主要依赖进口，国内市场规模需求从 2017年的 0.27 亿美元增长至 2021 年的 1.20 亿美元；且随着IGBT 和碳化硅 MOSFET 在新能源汽车领域的应用率越来越高，市场需求空间有望进一步提升。但是由于半导体功率器件用陶瓷基板对于电力电子技术的发展具有不可或缺的地位，也就成为西方发达国家对我国进行全方位技术封锁的半导体行业关键材料之一，尤其是氮化硅基片。因此分析国内外申请趋势、全球专利有效量占比、全球重点申请人、全球专利关注技术功效占比，希望能对国内氮化硅基片的研发以及产业化提供一些指导方向。氮化硅基片国内外申请趋势分析从图 1 可以看出，全球氮化硅基片最早起步于 1985年，2009 年之前中国国家知识产权局受理的专利都是国外来华专利。从 2009 年才开始有第一件国内申请主体提交的专利申请，但真正意义上针对功率器件用的氮化硅基片的申请是中国科学院上海硅酸盐研究所于 2013 申请的CN104098336A，该专利才实质上拉开了中国国内氮化硅基片专利申请的序幕。可见中国国内在氮化硅基片领域起步的时间比日本晚 40 年左右，这也就导致了中国的氮化硅基行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度本文详细梳理了半导体功率器件用氮化硅基片的专利申请趋势、全球专利有效量占比、全球重点申请人、全球专利关注技术功效占比等，希望能对国内氮化硅基片的研发以及产业化提供一些指导方向。半导体功率器件用氮化硅基片专利技术专利现状杨凌艳 赖 欣杨凌艳 赖 欣（等同第一作者）国家知识产权局专利局专利审查协作四川中心杨凌艳（1988），东南大学，硕士，知识产权师，研究方向：水泥混凝土以及镀覆领域专利审查。赖欣（1988），西南交通大学，硕士，助理研究员，研究方向：水泥混凝土以及镀覆领域专利审查。课题项目：本文成果来自国家知识产权局学术委员会 2023 年度半导体功率器件用陶瓷基板及金属化技术专利分析研究课题。图 1 氮化硅基片的国内外申请趋势（单位：项）中国科技信息 2024 年第 4 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-18-专利分析片主要依赖进口。从图 1 可以看出，随着全球化经济浪潮的推动下国外来华专利呈现逐年上涨的趋势，尤其是近 10 年申请数量猛增。而对于国内专利，也是在近 10 年呈现快速猛增的状态，分析其主要原因有以下几点：1.随着中国半导体产业的快速发展，越来越多的企业、研究机构开始关注氮化硅基片领域；这些专利主要涉及氮化硅基片的制备方法、结构优化、性能提升等方面，反映出中国在氮化硅基片技术上的不断进步和创新；2.由于中国政府和相关政策的推动，国家层对“卡脖子”技术的高度重视，布局并实施了一批国家重大科技项目，突出企业科技创新的主体地位，同时提高人才自主培养的能力和质量，加速引进相关领域高端人才，同时也注重相关先进技术的引进。在此背景下，中国投入大量的政策、人力、物力在氮化硅基片领域，因此该技术的申请量开始逐步上升。随着国家的大力倡导和支持，近年来氮化硅基片国产化已经迈出了实质性步伐，虽然与海外成熟市场相比仍有一定差距，但随着近年来相关研发和产业化进程也在进一步加快并取得了较大进展。全球来源国专利占比及专利有效量占比分析图 2 是氮化硅基片全球专利来源国占比，从图中可以专利技术来源国中日本申请主体的专利量最多，达到 645 件，占近 75%的比例，足见日本在氮化硅基片领域的专利垄断性地位。虽然中国在全球专利来源国中位居第二，总申请专利量为 127 件，占比为 15%，但是与日本的数量差距达到了 500 余件，差距巨大。德国、韩国以及美国分别位居专利技术来源国中第三、第四、第五，申请专利量分别为 40 件、34 件、12 件，占比分别为 5%、4%、3%。其中德国的主要申请主体是 Rogers Germany，该公司是罗杰斯（美国）在德国慕尼黑设置的分公司，这也就导致德国的排名排在美国之前。图 3 是全球专利中有效专利量各国占比以及中国有效专利中申请人国家占比。可见，全球专利中有效专利量中日本拥有的专利有效量也是最多的，共 98 件，占比达到了41%，且其中还不包括已经授权的但其保护期限届满而导致失效的专利。从上面数据足见日本在氮化硅基片领域的专利垄断性地位。据相关报道，日本在氮化硅陶瓷基片独占鳌头，同时日本企业也正在加快氮化硅基片的产能扩充，如电气化学（日本）投资 1.62 亿元用于高导热氮化硅陶瓷片的产能扩充，预计 2025 年全部建成；精细陶瓷株式会社（日本）计划在 2023 年底之前将产能提高 10m2/年。而对于中国，中国申请量居全球第二，专利有效量占比也居全球第二，共 75 件，占比 31%，但是进一步剖析其有效专利中的申请人占比发现，申请主体有 25%的来自日本，1%的来自韩国。再者，即使排除到上述因素，中国国内申请人的有效专利总量虽然也能排在前列，但是存在大而不优、多而不强的问题，主要原因在于自身研发水平有限以及专利撰写质量不高等多方面的限制。全球重点申请人分析图 4 是前 14 名重点申请人排名，可见前 14 名申请人中日本申请人就占了 11 席，中国申请人占了 2 席，美国申请人占了 1 席。由于上游关键陶瓷粉体制备技术均由日本企业掌握，且粉体对基板的性能起着决定性作用，所以日本在陶瓷基板的生产上具备天然优势，也更早的形成规模化的产业链条以及在氮化硅基片进行深度且全面的布局。全球范围内可实现批量化制造高导热氮化硅陶瓷基板的企业基本全部在日本，这就导致了氮化硅基片均呈极度寡头垄断局势。其中，排在第一的申请主体是东芝（日本），其是氮化硅基片最大的制造商，且在全球氮化硅基片占据的市场份额最大，尤其在混合动力汽车和纯电动汽车市场领域。其所持有的氮化硅基片专利中有效专利占 16%，在审专利占11%，虽然该申请人持有的有效专利量不多，但是其重点专利的占比非常高，其重点专利的关注点主要在于氮化硅基片的高热导率兼顾高强度，采用的关键技术主要是在原料方面图 2 氮化硅基片全球专利来源国占比（单位：件）图 3 全球专利中有效专利量各国占比以及中国有效专利中申请人国家占比（单位：件）图 4 重点申请人排名-19-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024中国科技信息 2024 年第 4 期专利分析限定稀土元素和/或稀土氧化物种类的选择以及用量、控制杂质阳离子元素等，在成型和烧结主要关注烧结温度和冷却速度等。第二大申请主体日立（日本），氮化硅基片的第一篇专利就是该申请主体的；由于该公司技术起步较早，其技术相对比较成熟，其持有专利中有效专利占比达到了 49%，并且该公司已经研发出了导热性可以达到 130W（mK）的氮化硅基片，并开始投入量产，它可以确保氮化硅基片保持相同水平导热性进行量产，这属于世界首创。日立（日本）不但在导热性能、强度和成本控制方面形成了属于自己特有的专利网络，而且针对耐热循环、绝缘性、基板与金属的连接强度、抑制翘曲、避免裂缝、良品率和量产方面也有相应的专利布局，即该公司针对氮化硅基片整个生产环节都有着深入的研究并将相应的研究成果转化为专利申请。第三大申请主体京瓷（日本），其所持有专利中有效专利占 30%，在审中的专利占 8%；京瓷（日本）在氮化硅基片的产业布局中，采取了自主研发与合作开发相结合的方式。第四大申请主体日本电气化学（日本）公司，其持有的专利中虽然仅有 11%的专利处于有效，但是其还有 25%的专利处于在审中，这是由于电气化学（日本）还与多个研究机构和企业合作，共同开发和推广氮化硅基片技术进行技术追赶。第五大申请主体住友（日本）公司，虽然其申请量相对前三个申请人锐减，但是其也在积极地去进行技术追赶。排名第六第七的分别是广东工业大学和中国科学院上海硅酸盐研究所，可见中国申请人的特点是以高校和研究院为主，而日本的申请主体基本都是公司。上述申请主体主要围绕高热导率、高强度进行专利布局，针对解决大规模生产而需要解决的良品率、量产情况、抑制翘曲等缺乏相关专利布局。这一点也与我国现在在氮化硅基片领域的商业化应用情况相适应目前我国氮化硅基片的生产规模不大、产品量产稳定性差，缺乏量产的相关经验。从专利有效性分析，上述两个申请主体的专利有效性占比 59%，其中还有 13%的申请处于审中。这也足以看出国内的高校合伙研究院的研发实力很强劲，研发人员对技术的发展以及未来方向有很清晰的把握。如果将研究院和高等院校的研究成果转化到实际生产中，中国也能打破西方发达国家对中国的全面技术封锁。全球专利关注技术功效占比分析图 5 是全球专利关注的重点技术功效申请趋势。可以看出，氮化硅基片的专利布局是始于对高导热率的追求，然后再开始关注其高强度，从 1990 年左右开始二者申请态势呈现并驾齐驱之势。这是由于高导热率和高强度是实现其应用的基本性能需求，同时上述性能会有相互制约，故而其研发态势呈现并驾齐驱之势。随着氮化硅基片上述性能的不断研发，发现基片若要进行产业化应用还要关注其成本问题，因此紧接着对于成本方面的追求应运而生。同时由于大功率器件、大电流器件对基片性能的进一步需求，也导致了申请人对高绝缘性、耐热循环相关性能的关注。从近几年的申请热点来看，高导热率和高强度热度依旧且热度最高的还是高导热率，对于低成本、高绝缘性、耐热循环也呈稳定的关注态势。而后续随着氮化硅基片应用越来越广泛，各大申请人开始关注氮化硅基片的大型化/大尺寸、良品率和量产方面的情况。注意到，1990年左右氮化硅基片的申请开始密集化，从 1995 年第一件有关氮化硅基片量产工艺改进的申请开始，各大申请主体开启了关于氮化硅基片规模化生产。与之相呼应的是，从 2015年左右，随着全球电动汽车的迅速崛起，动力电池续航功能和集成电路规模化对于氮化硅基片的尺寸大型化和生产过程中良品率提出了新的要求，与之有关的提高氮化硅基片制造尺寸和良品率的申请呈现大幅增长。小结与展望（1）从前述宏观数据可以看出，日本处于领先地位，这就导致了氮化硅基片呈极度寡头垄断局势，同时全球氮化硅基片市场也都由日本主导。（2）从全球氮化硅基片的整体情况来看，中国专利数量可喜，且具有一定占比的专利有效量，但是存在大而不优、多而不强的问题。对于未来，国内氮化硅基片任重而道远，主要由以下几方面：（1）技术门槛高：氮化硅基片制造需要成熟的工艺体系以及精密的制造设备，而国内在上述的量产技术积累相对较弱，且所用的制造设备也存在产量小且精密度不高等问题。（2）资金投入大：陶瓷基片的制造需要大量的资金投入，包括研发、设备采购、生产线建设等方面，尤其是在初期阶段，需要较大的资金支持，这也是很多国内企业难以承受的。（3）原材料依赖进口：氮化硅基片的制造需要高纯度氮化硅粉体，目前氮化硅粉体仍依赖进口，且日本企业对中国的出口每年也仅千公斤级，远远无法满足国内的市场需求，这既增加了生产成本，也限制了国内氮化硅基片产业的发展；且随时存在原材料断供的风险。（4）客户认证壁垒：陶瓷基板用于封装工艺中，在器件封装完成后如果发生故障一般都无法返修，只能对整个器件进行更换，因此下游客户对于陶瓷基板的选用和认证谨慎而严苛。图 5 全球专利关注的重点技术功效申请趋势