高鐵跳動“中國芯”

文/鄒太平

一段時期以來，自主芯片的研發(fā)和制造牽動著國人的心。如何打破國外技術(shù)壟斷、實現(xiàn)自主突圍，是中國制造創(chuàng)新發(fā)展必須面對的難關(guān)。

就在前不久，軌道交通領(lǐng)域傳來喜訊——具有中國血統(tǒng)的大功率IGBT芯片，再度獲得印度訂單，將用在105臺印度機車上，總量超過1000只。

IGBT即絕緣柵雙極晶體管，是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，俗稱電力電子裝置的“CPU”（中央處理器）。中國自主研發(fā)的IGBT芯片，不僅成功應(yīng)用在中國標準動車組“復(fù)興號”上，還多次走出國門，出口印度、馬來西亞等國家。

迎著初夏的驕陽，記者來到位于湖南省株洲市的中車株洲電力機車研究所有限公司（以下簡稱“中車株洲所”），近距離接觸這項被譽為“皇冠上的明珠”的軌道交通關(guān)鍵技術(shù)。

打破國外壟斷局面

“這就是用在中國高鐵上的8英寸IGBT芯片，由我們自主研發(fā)，擁有完全知識產(chǎn)權(quán)?！敝熊囍曛匏聦俚闹曛拗熊嚂r代電氣股份有限公司（以下簡稱“中車時代電氣”）半導體事業(yè)部副主任潘昭海自豪地告訴記者。

只見一個直徑20厘米左右的圓盤上，排列著一個個指甲蓋大小的芯片。在肉眼看不到的芯片內(nèi)部，5萬個被稱作“元胞”的電子單元，能讓電流在百萬分之一秒的時間內(nèi)實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換，從而獲得牽引整列高速動車組前行的穩(wěn)定電力。

中車株洲所的8英寸IGBT芯片生產(chǎn)線，為國內(nèi)首條、世界第二條，具備年產(chǎn)12萬片芯片、100萬只模塊的產(chǎn)能，徹底打破了高端IGBT芯片技術(shù)被國外壟斷數(shù)十年的局面。

鮮為人知的是，這條8英寸IGBT芯片生產(chǎn)線的背后歷經(jīng)波折。

過去，我國機車用IGBT模塊都要從德國、日本進口。據(jù)相關(guān)研發(fā)負責人回憶，2008年，一個模塊進口價格超過1萬元，而且只能買成品，產(chǎn)品交貨周期很長。國內(nèi)一年僅進口IGBT模塊就要12億元。

2007年，國家有關(guān)部委將IGBT器件技術(shù)作為我國重大專項課題，投入巨資研發(fā)IGBT芯片、模塊封裝及應(yīng)用測試技術(shù)，但進展緩慢。作為中國軌道交通關(guān)鍵部件裝備的核心力量，中車株洲所經(jīng)過50多年的努力，掌握了雙極器件技術(shù)，但對于半導體行業(yè)更為先進的IGBT器件技術(shù)，還是一片空白。

機會出現(xiàn)在2008年。世界上最早進行IGBT研發(fā)廠家之一的英國丹尼克斯半導體公司，因為金融危機陷入困境。中車株洲所成功收購丹尼克斯75%的股權(quán)，并投入巨資將丹尼克斯原有的4英寸IGBT芯片生產(chǎn)線升級為6英寸生產(chǎn)線。

并購丹尼克斯，目的是實現(xiàn)IGBT的自主國產(chǎn)化。此時，中車株洲所內(nèi)部出現(xiàn)了兩種不同的聲音：一種堅持6英寸IGBT芯片生產(chǎn)線，盡快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；另一種則認為，應(yīng)該升級技術(shù)，建設(shè)一條比丹尼克斯基地更為先進的8英寸生產(chǎn)線。大部分人都認為建設(shè)8英寸IGBT生產(chǎn)線的風險很大，主張原封不動地將6英寸生產(chǎn)線搬過來。

“不能總是追趕別人，我們要超越?！敝袊こ淘涸菏?、中車株洲所董事長丁榮軍當時力排眾議，提出應(yīng)該充分吸收IGBT的創(chuàng)新發(fā)展成果，果斷拍板建設(shè)8英寸生產(chǎn)線。

創(chuàng)新之路越走越寬

從6英寸到8英寸，當時在全球IGBT行業(yè)都是歷史性跨越，中車株洲所沒有現(xiàn)成的技術(shù)和經(jīng)驗可供復(fù)制、借鑒，只有艱難的摸索。

中車株洲所在英國成立功率半導體研發(fā)中心，同時派出國內(nèi)技術(shù)人員赴英，集中開發(fā)新一代IGBT芯片技術(shù)、新一代高功率密度IGBT模塊技術(shù)和下一代碳化硅功率器件技術(shù)等前沿基礎(chǔ)技術(shù)。

“通過吸收、消化、再轉(zhuǎn)化，我們用6年逐步完成了8英寸生產(chǎn)線的設(shè)計與建設(shè)。”潘昭?；貞?，每次工藝提出需求，設(shè)備部門進行單機采購后反復(fù)試驗，不斷經(jīng)歷失敗與取舍，才一步步走向生產(chǎn)線的全線拉通，并最終全面掌握從IGBT芯片、模塊、組件到應(yīng)用的全套技術(shù)。

2013年12月27日，來自中國科學院、中國工程院的4位院士及10余位國內(nèi)知名專家齊聚中車株洲所。一塊指甲大小的銀白色芯片，引發(fā)陣陣驚嘆。

這是中國企業(yè)自主研制的第一款國內(nèi)最大電壓等級、最高功率密度的6500伏高壓IGBT芯片。該成果總體技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平、填補國內(nèi)行業(yè)空白，實現(xiàn)了中國在高端IGBT技術(shù)領(lǐng)域與國際先進水平接軌，具有重大戰(zhàn)略意義。

每一列高鐵要用到3000至5000個IGBT芯片，鋪列開來有1平方米的面積，處理的是兆瓦級功率，一個芯片失效就會導致高鐵故障?！爸圃烀總€IGBT需要200多道工序，以確保高度的可靠性和穩(wěn)定性?！敝熊囍曛匏雽w事業(yè)部副總經(jīng)理羅海輝說，這些年，他們完成了從650伏到6500伏全譜系的IGBT芯片研發(fā)。隨著工藝不斷提升，芯片尺寸越來越小，厚度越來越薄。最薄的芯片僅80微米，比100微米厚度的普通打印紙還要薄。

如今，中車株洲所投資14億元建成國內(nèi)第一個8英寸IGBT芯片生產(chǎn)基地，其生產(chǎn)的壓接型IGBT模塊已成功進入智能電網(wǎng)領(lǐng)域，用于電動汽車領(lǐng)域的中低壓IGBT模塊封裝線也已啟動。

與此同時，中車株洲所還與中國科學院微電子研究所共同開展以碳化硅為基礎(chǔ)材料的新型IGBT技術(shù)研發(fā)，已經(jīng)成功研制出芯片樣品，構(gòu)建了封裝模型。

中國“智造”走向世界

近幾年，中國中車飛速發(fā)展，不僅滿足了國內(nèi)高鐵建設(shè)的龐大需求，更作為中國民族工業(yè)的一張名片，走出國門服務(wù)全球。

在3000萬人口的馬來西亞，軌道交通需求以每年20%的速度增長。2015年10月，裝備有中車時代電氣8英寸IGBT芯片的中國出口東盟首個輕軌項目——馬來西亞安邦線輕軌投入運營，“中國芯”第一次走出了國門。

針對安邦線列車運營在人口稠密、線路坡度大、轉(zhuǎn)彎半徑小的特殊環(huán)境，中車株洲所技術(shù)專家還專門使用了國內(nèi)自主研發(fā)的鉸接式轉(zhuǎn)向架技術(shù)，可使列車呈蛇形自由擺動平穩(wěn)通過小彎道。

捷報頻傳。2016年11月，中車時代電氣的1700伏IGBT模塊憑借優(yōu)良的產(chǎn)品性能成功中標印度機車市場，拿下了第一批100臺印度WAG-9機車的改造升級訂單。這是中國IGBT首次單獨批量在海外市場的突破。

此前，印度機車變流器普遍采用功率半導體器件GTO型變流器，升級為中國IGBT模塊后的一年多時間里，裝車運行狀況良好。這也為今年3月中車時代電氣的再度中標奠定了基礎(chǔ)。

“今年再度中標的1000只1700伏IGBT模塊將供應(yīng)給印度一家變流器生產(chǎn)廠家，主要用于105臺印度機車上?！迸苏押１硎?，中車時代電氣的IGBT產(chǎn)品目前在俄羅斯、意大利及中歐市場均有布局，先后取得了小批量訂單，逐步得到國際市場認可。

“‘一帶一路’倡議極大推動了企業(yè)國際化進程。”丁榮軍介紹，近幾年，通過加強合資合作、跨國并購、本土化投資等策略，中車株洲所正在全方位開拓國際市場，海外市場業(yè)務(wù)占到公司總業(yè)務(wù)的24%左右，產(chǎn)品已銷往30多個國家和地區(qū)。