中國(guó)南車(chē)株洲所：用心打造中國(guó)“芯”

朱輝躍 王南

2014年6月20日，是一個(gè)不平凡的日子。

這一天，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)內(nèi)首條、亦是全球第二條8英寸IGBT（中文全名為“絕緣柵雙極型晶體管”）芯片線(xiàn)在株洲全面建成投入運(yùn)行，首期預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)12萬(wàn)片8英寸IGBT芯片，并配套生產(chǎn)100萬(wàn)只IGBT模塊的能力。

這意味著，在高端IGBT系列技術(shù)上，真正有了中國(guó)“芯”。它的投產(chǎn)，對(duì)于保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)安全、實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)不受制于人具有重大戰(zhàn)略意義，而該芯片的制造者，南車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中國(guó)南車(chē)株洲所）也因此成為世界上少數(shù)幾家掌握IGBT成套技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化能力的企業(yè)之一。

牽一發(fā)而動(dòng)全身的芯片

IGBT是當(dāng)今功率半導(dǎo)體器件技術(shù)最為復(fù)雜、應(yīng)用最為廣泛的器件，其作用和地位相當(dāng)于計(jì)算機(jī)中的“CPU”，被譽(yù)為功率半導(dǎo)體技術(shù)中“皇冠上的明珠”，摘取這一明珠的過(guò)程折射出中國(guó)企業(yè)高端裝備關(guān)鍵技術(shù)自主創(chuàng)新的艱辛歷程。

在中國(guó)南車(chē)株洲所的8英寸IGBT研制現(xiàn)場(chǎng)，記者看到，在一塊光碟大小的硅片上，整齊排列著128個(gè)指甲大小的芯片，這就是具有世界領(lǐng)先水平的8英寸IGBT芯片。

據(jù)該公司IGBT事業(yè)部總經(jīng)理劉國(guó)友介紹，就是這樣一塊指甲大小，厚度僅為兩根頭發(fā)絲的芯片里，布滿(mǎn)了超過(guò)5萬(wàn)個(gè)密密麻麻的稱(chēng)之“元胞”電路，它靈敏的控制著最高超過(guò)6500伏的大電壓和超過(guò)1200安培的大電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能有效轉(zhuǎn)換和控制，為各種電力設(shè)備提供不同功率等級(jí)的電能。

“IGBT設(shè)計(jì)復(fù)雜，工藝復(fù)雜，任何一個(gè)電路的設(shè)計(jì)都是在微米級(jí)中完成，其難度無(wú)異于針尖上立麥芒?！眲?guó)友介紹說(shuō)。

從功能上來(lái)說(shuō)，這種“能夠在1秒鐘完成100萬(wàn)次電流的關(guān)斷和開(kāi)啟動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電能快速轉(zhuǎn)化”的芯片，確有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在軌道交通、新能源、石油冶煉、船舶驅(qū)動(dòng)、航空航天等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)裝備上無(wú)處不在，就連我們普通的家用變頻空調(diào)、吸塵器，也可以看到它的身影，可以說(shuō)，誰(shuí)掌握了IGBT器件及應(yīng)用技術(shù)，誰(shuí)就掌握了功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)的話(huà)語(yǔ)權(quán)。

目前，中國(guó)已成為世界上IGBT產(chǎn)品最大的消費(fèi)市場(chǎng)，以高速動(dòng)車(chē)組、大功率機(jī)車(chē)、新能源裝備、電網(wǎng)為龍頭的國(guó)內(nèi)變頻產(chǎn)業(yè)每年IGBT需求量超過(guò)100億元以上，且每年以15%以上的速度增長(zhǎng)，隨著國(guó)家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和升級(jí)，以及戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，IGBT的應(yīng)用空間十分可觀。

中國(guó)工程院院士、中國(guó)南車(chē)株洲所總經(jīng)理丁榮軍表示，初步估算，如果將IGBT等電力電子技術(shù)應(yīng)用到中國(guó)20%的電機(jī)中，可以使其電能使用效率提高15%—30%，每年可節(jié)約用電2000億千瓦時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)三峽電站的年發(fā)電量。

然而，一個(gè)尷尬的事實(shí)困擾著人們，由于底子薄弱，基礎(chǔ)研發(fā)水平落后，中國(guó)在IGBT技術(shù)特別是其中關(guān)鍵的芯片技術(shù)上長(zhǎng)期處于落后水平，以軌道交通為例，早些年中國(guó)幾乎所有的機(jī)車(chē)車(chē)輛的IGBT模塊都依賴(lài)進(jìn)口，特別是在高等級(jí)的IGBT器件上，更沒(méi)有中國(guó)企業(yè)的一席之地，即使作為中國(guó)牽引電傳動(dòng)技術(shù)的領(lǐng)軍企業(yè)，中國(guó)南車(chē)株洲所也依然每年花費(fèi)數(shù)億元從國(guó)外采購(gòu)IGBT產(chǎn)品。

使命的召喚、市場(chǎng)的需求，設(shè)計(jì)中國(guó)人自己的IGBT，成為包括中國(guó)南車(chē)株洲所在內(nèi)的民族企業(yè)的夙愿。

50年深厚積淀

技術(shù)創(chuàng)新的路徑很多，是什么秘訣讓中國(guó)南車(chē)株洲所在IGBT技術(shù)攻關(guān)上一路領(lǐng)先？

眾所周知，中國(guó)南車(chē)株洲所是中國(guó)軌道交通牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)集成技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)軍者，該公司先后主持開(kāi)發(fā)了牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)，裝備應(yīng)用到國(guó)內(nèi)高速動(dòng)車(chē)組、大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)、內(nèi)燃機(jī)車(chē)和城市軌道車(chē)輛，占據(jù)國(guó)內(nèi)自主品牌近70%的市場(chǎng)份額。

作為牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，功率半導(dǎo)體技術(shù)是整個(gè)系統(tǒng)技術(shù)的重要一環(huán)，長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)南車(chē)株洲所走在國(guó)內(nèi)前列，具有深厚的歷史積淀。

1964年，中國(guó)南車(chē)株洲所首次將功率半導(dǎo)體器件技術(shù)運(yùn)用在國(guó)產(chǎn)化的“韶山”電力機(jī)車(chē)上。同一年，該公司開(kāi)始試制整流二極管并取得成功，揭開(kāi)了公司功率半導(dǎo)體技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化的序幕。

上世紀(jì)80年代中期，該公司通過(guò)技術(shù)引進(jìn)和自主研發(fā)，在功率半導(dǎo)體晶閘管技術(shù)上率先發(fā)力，經(jīng)過(guò)20多年的努力，先后開(kāi)發(fā)出多個(gè)尺寸、多種功率等級(jí)的晶閘管產(chǎn)品，打破國(guó)外在此項(xiàng)技術(shù)的壟斷。

2000年，中國(guó)南車(chē)株洲所建成了國(guó)內(nèi)第一條具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的4英寸全壓接器件生產(chǎn)線(xiàn)。

2006年，又成功研制出世界第一只6英寸晶閘管，極大增強(qiáng)了國(guó)家推動(dòng)特高壓直流輸電項(xiàng)目國(guó)產(chǎn)化的信心。

2009年，公司投入3.5億元建設(shè)的 5至6英寸全壓接高壓大電流器件廠(chǎng)房投產(chǎn)。

數(shù)十年來(lái)，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)和技術(shù)引進(jìn)相結(jié)合，中國(guó)南車(chē)株洲所功率半導(dǎo)體技術(shù)不斷提升，為該公司在先進(jìn)的功率半導(dǎo)體器件——IGBT技術(shù)的突破奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)底蘊(yùn)和人才儲(chǔ)備。

組合拳帶來(lái)的巨大效應(yīng)

“十一五”（2006—2010年）以來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)IGBT等戰(zhàn)略性關(guān)鍵技術(shù)的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深刻，以及中國(guó)高端裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展的客觀需求，在國(guó)家發(fā)改委、科技部、工信部、原鐵道部等國(guó)家部委的支持下，中國(guó)南車(chē)株洲所又率先啟動(dòng)“高壓IGBT元件研制”項(xiàng)目。

然而，要想在短短幾年內(nèi)，完全依靠自身力量，獨(dú)立自主研發(fā)掌握IGBT全套技術(shù)，快速實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化談何容易。

中國(guó)南車(chē)株洲所選擇了一條“捷徑”——實(shí)施“收購(gòu)-整合-創(chuàng)新”戰(zhàn)略，通過(guò)全球性戰(zhàn)略布局，吸納國(guó)際優(yōu)勢(shì)研發(fā)資源，對(duì)IGBT技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。

2008年，在全球金融危機(jī)陰云籠罩下，中國(guó)南車(chē)株洲所下屬的時(shí)代電氣公司渡過(guò)英吉利海峽，并購(gòu)世界著名半導(dǎo)體公司丹尼克斯，一時(shí)間在業(yè)內(nèi)引起巨大反響。

丹尼克斯公司是世界上少數(shù)的集設(shè)計(jì)、研發(fā)和制造能力于一體的獨(dú)立的電力電子器件制造商之一，其擁有一條4英寸IGBT芯片設(shè)計(jì)、制造、模塊封裝的完整全套技術(shù)，但由于缺乏應(yīng)用平臺(tái)的支持和后續(xù)資金的投入，其IGBT技術(shù)及產(chǎn)業(yè)沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，落后于其它先進(jìn)公司，而這恰恰是中國(guó)南車(chē)株洲所的優(yōu)勢(shì)所在。雙方的“聯(lián)姻”，完全做到了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，產(chǎn)生了強(qiáng)大的協(xié)同效應(yīng)。

并購(gòu)后，中國(guó)南車(chē)株洲所打了一套組合拳：2010年注資一個(gè)多億將丹尼克斯原有4英寸線(xiàn)升級(jí)到世界主流6英寸線(xiàn)；2011年，中國(guó)南車(chē)株洲所又投資近1個(gè)億，在英國(guó)成立中國(guó)首個(gè)功率半導(dǎo)體技術(shù)海外研發(fā)中心，利用西歐先進(jìn)的人才和技術(shù)資源，開(kāi)展IGBT技術(shù)的研制，該研發(fā)中心成為中國(guó)南車(chē)株洲所后來(lái)突破8英寸IGBT的重要平臺(tái)。

同時(shí)，該公司在株洲加快了IGBT技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化的步伐，2009年，率先在國(guó)內(nèi)建立第一條TGBT模塊封裝線(xiàn)；隨后2011年，又大手筆一次性投資15個(gè)億，啟動(dòng)我國(guó)第一條8英寸IGBT芯片生產(chǎn)線(xiàn)的建設(shè)。

這一系列舉措，使得中國(guó)南車(chē)株洲所的技術(shù)得到了全面提升，大大縮小了與世界先進(jìn)企業(yè)的差距。

經(jīng)過(guò)6年多的努力，中國(guó)南車(chē)株洲所在攻克30多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)后，全面擁有了從芯片設(shè)計(jì)、封裝測(cè)試、可靠性試驗(yàn)、系統(tǒng)應(yīng)用等全流程、完整的技術(shù)和工藝體系，具備了大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化條件，成為國(guó)內(nèi)目前唯一一家全面掌握IGBT芯片技術(shù)研發(fā)、模塊封裝測(cè)試和系統(tǒng)應(yīng)用的企業(yè)。

不斷擴(kuò)大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模

“在全球化范圍內(nèi)，8英寸IGBT技術(shù)的突破，宣告中國(guó)南車(chē)株洲所進(jìn)入IGBT的第一梯隊(duì)?！眲?guó)友告訴記者。

但這僅僅是“萬(wàn)里長(zhǎng)征走完了第一步”，中國(guó)南車(chē)株洲所在現(xiàn)有8英寸IGBT專(zhuān)業(yè)芯片生產(chǎn)線(xiàn)基礎(chǔ)上，還同時(shí)建設(shè)IGBT模塊生產(chǎn)線(xiàn)。加快產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的開(kāi)發(fā)力度，可滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)軌道交通、電動(dòng)汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、智能電網(wǎng)、高壓變頻、工業(yè)傳動(dòng)等多個(gè)行業(yè)需求，致力打造中國(guó)首個(gè)完全依靠自主能力建設(shè)、產(chǎn)能規(guī)模最大、技術(shù)實(shí)力最強(qiáng)、產(chǎn)品型號(hào)最全的大功率IGBT產(chǎn)業(yè)化基地。劉國(guó)友解釋到。

同時(shí)，為進(jìn)一步鞏固技術(shù)優(yōu)勢(shì)，中國(guó)南車(chē)株洲所正在牽頭策劃成立中國(guó)IGBT技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，謀劃整合國(guó)內(nèi)IGBT產(chǎn)業(yè)從材料到應(yīng)用的上下游優(yōu)勢(shì)資源，推動(dòng)中國(guó)IGBT產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

創(chuàng)新的腳步還在繼續(xù)，2011年，中國(guó)南車(chē)株洲所與中國(guó)科學(xué)院微電子研究所聯(lián)合，組建新型電力電子器件聯(lián)合研發(fā)中心，開(kāi)展以碳化硅為基礎(chǔ)材料的新型電力電子器件技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化的研究，目前，中心已成功研制出樣品，并組合封裝成混合型IGBT模塊。該公司還將與國(guó)內(nèi)其他單位及相關(guān)科研院所一道，開(kāi)展“碳化硅電力電子器件集成制造技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”、“6英寸碳化硅單晶材料研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化及其在大功率IGBT等器件中的應(yīng)用”研究。