劉國友：攻克“卡脖子”難題引領大功率半導體技術進擊

文 / 龐貝 鄭聲宇

2023年伊始，有消息傳出，美國將對華為實施全面封鎖，徹底斷絕美供應商向華為提供任何產(chǎn)品。無論這一消息是否空穴來風，都顯現(xiàn)出我國在芯片領域仍處弱勢地位。

但在IGBT（絕緣柵雙極晶體管）領域，有分析指出，國內(nèi)在芯片設計、晶圓制造、模塊封裝等整個產(chǎn)業(yè)鏈基本都已有布局。整體來看，中國IGBT產(chǎn)業(yè)鏈正逐步具備國產(chǎn)替代能力。

劉國友，中車科學家，新型功率半導體器件國家重點實驗室常務副主任，長期從事功率半導體基礎研究、前沿技術探索、關鍵技術攻關、產(chǎn)業(yè)化與工程應用，主持研制了首只6英寸特高壓直流輸電晶閘管；率先突破了高鐵IGBT芯片關鍵技術，引領8英寸高壓IGBT芯片產(chǎn)業(yè)化；主持研制了全球最大容量600A/4500V IGBT芯片、最高功率密度3600A/4500V壓接封裝IGBT模塊。在高壓IGBT、超大功率晶閘管和SiC等 “卡脖子”芯片技術領域?qū)崿F(xiàn)自立自強，支撐了高鐵、高壓直流輸電和新能源等高端裝備技術創(chuàng)新與自主可控，并拓展到“雙碳”目標下能源與交通等廣泛應用領域。

以下，我們以劉國友團隊作為創(chuàng)新樣本，來回顧國產(chǎn)大功率半導體技術進擊之路。

突破6英寸高壓晶閘管支撐特高壓技術晉級

21世紀，我國步入經(jīng)濟發(fā)展快車道，能源的區(qū)域分布不平衡問題日益突出。我國雖然幅員遼闊，但76%的煤炭資源在北部和西北部，80%的水能資源在西南部，而70%以上的能源需求則在中東部。為了協(xié)調(diào)這種時空上的不平衡，解決電力長距離、跨地區(qū)傳輸問題，我國大力發(fā)展特高壓工程?？上驳氖?，經(jīng)過國家多年的鼓勵與扶植，在全行業(yè)的共同努力下，我國特高壓輸電水平已達世界領先地位。

所謂“全行業(yè)”，當然不單指電力人，這其中還有芯片人的不懈奮斗。

2005年底國家電網(wǎng)帶著任務找到了株洲電力機車研究所（以下簡稱“株洲所”）：攻關耐壓為8000V的6英寸高壓晶閘管。晶閘管（Thyristor）又稱作可控硅整流器，是一種大功率開關型半導體器件，具有導通損耗低、功率容量大的優(yōu)勢，在電力系統(tǒng)、工業(yè)裝備和脈沖電源中應用廣泛。高壓晶閘管是國家電網(wǎng)特高壓直流輸電項目急需的一種大功率器件，被國外壟斷，因需求型號特殊，外方要求先行支付巨額研發(fā)經(jīng)費。僵持之下，國家電網(wǎng)找到株洲所。

劉國友臨危受命，擔綱高壓直流輸電晶閘管項目。在6英寸晶閘管芯片設計與工藝研究上，他發(fā)明鋁雜質(zhì)轉(zhuǎn)移擴散工藝，優(yōu)化P型雜質(zhì)和電場分布，強化基區(qū)電導調(diào)制；研發(fā)多雜質(zhì)補償擴散工藝，抑制大尺寸硅片高溫變形；突破芯片雙負角臺面造型、葫蘆串腐蝕和鈍化保護關鍵技術；開發(fā)高能電子輻照技術，精準調(diào)控靜態(tài)參數(shù)與動態(tài)特性，突破大尺寸、高電壓晶閘管關鍵技術。

他首創(chuàng)了6英寸高壓晶閘管防爆全壓接技術。主持研究開發(fā)新型全壓接結構，攻克因大尺寸、封裝材料熱膨脹系數(shù)失配而引起的芯片損傷和性能退化帶來的封裝技術難題；發(fā)明防爆封裝結構，能有效吸收、減緩芯片失效時爆炸能量釋放；突破了大尺寸芯片封裝及其應用可靠性關鍵技術。

作為負責人，他主持了“大尺寸半導體器件研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”建設項目技術工作，研究開發(fā)特高壓直流輸電6英寸晶閘管檢驗成套技術，建成國內(nèi)外容量最大、試驗能力最強的特高壓直流輸電（UHVDC）晶閘管檢驗檢測中心，構建了自主化高壓晶閘管設計、制造、試驗完整技術體系，建成國內(nèi)首條具有國際先進水平的6英寸8500V特高壓直流晶閘管生產(chǎn)線。

全球首只6英寸4000A/8000V特高壓直流晶閘管，就這樣在他手中誕生。國家電網(wǎng)相關專家鑒定認為“打破國外公司在這一技術領域的壟斷地位，促進國內(nèi)功率半導體器件技術進步和特高壓直流輸電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有重大的戰(zhàn)略意義”。

在此基礎上，他與團隊設計優(yōu)化了新一代超大容量6英寸5000A/8500V高壓晶閘管，先后制造了10萬余只特高壓直流輸電晶閘管，支撐了國內(nèi)外20余個高壓直流工程，并走出國門，為巴西美麗山特高壓直流輸電項目提供了工程所需6000余只6英寸晶閘管，實現(xiàn)了晶閘管技術從跟跑到全球領先，獲評國家“制造業(yè)單項冠軍產(chǎn)品”稱號?！疤卮蠊β孰娏﹄娮悠骷夹g研發(fā)及推廣應用”獲2010年國家科技進步獎二等獎。

推動IGBT原始創(chuàng)新實現(xiàn)高端裝備自立自強

IGBT芯片是軌道交通領域的主流器件，主要負責將電能轉(zhuǎn)換為列車動力，并控制列車牽引功率與速度。其面臨極端應用載荷與運行工況，耐受電壓高、電流容量大、開關速度快，是電力電子技術核心基礎器件，被譽為驅(qū)動機車牽引電傳動系統(tǒng)的“高鐵之心”。但我國IGBT芯片長期依賴進口，使得我國高鐵等高端裝備產(chǎn)業(yè)受制于人。

2008年國際金融危機，英國大功率半導體企業(yè)丹尼克斯面臨資金困境。中車株洲所的上市公司主體中車時代電氣并購丹尼克斯，踏上IGBT產(chǎn)業(yè)化征程。

如何在丹尼克斯基礎上快速提升IGBT技術與制造能力，滿足軌道交通應用需求，特別是如何實現(xiàn)有競爭力的自主可控，對于剛進IGBT領域的中車時代電氣來說面臨巨大挑戰(zhàn)。

作為派駐英國負責技術與產(chǎn)業(yè)整合的先遣隊員，劉國友提議創(chuàng)建海外功率半導體研發(fā)中心，掌握新型功率半導體技術創(chuàng)新的主動權。2010年5月，中車株洲所在英國林肯成立功率半導體研發(fā)中心（以下簡稱“中心”）。

在公司支持下，他主持制定中心的使命愿景、體系構架、研究方向，搭建人才團隊，組織跟蹤國際先進技術、開展功率半導體基礎與前沿共性技術研究。

作為國內(nèi)首個功率半導體海外研發(fā)基地，中心吸引了50余名功率半導體設計、工藝和應用工程師，聚焦新一代高功率密度 IGBT、SiC 芯片與模塊新技術、新材料、新工藝，肩負中國 IGBT 技術突破與產(chǎn)業(yè)化的重大使命，不僅在攻克IGBT關鍵核心技術、推動IGBT技術進步與產(chǎn)業(yè)化等方面發(fā)揮了巨大作用，而且在孕育IGBT技術研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新團隊、創(chuàng)建新型功率半導體器件國家重點實驗室等方面也發(fā)揮了獨特優(yōu)勢。

自2008年劉國友主持IGBT技術攻關以來，他和團隊攻克了高耐壓、低損耗、高可靠性的技術瓶頸，首創(chuàng)以高能氫離子注入為核心的低溫緩沖層技術，一舉突破IGBT芯片背面工藝難題，形成了自立自強的高壓IGBT技術體系；研發(fā)8英寸IGBT芯片深結、厚膜、深槽和薄片成套特色工藝，自主設計、設備定制與系統(tǒng)集成，建成全球首條8英寸高壓IGBT生產(chǎn)線，實現(xiàn)全流程智能制造與數(shù)字化，引領8英寸高壓IGBT制造技術進步，被評為2014年中國半導體十大新聞事件，“它的誕生到應用，已徹底打破國外高端IGBT技術壟斷，實現(xiàn)從研發(fā)、制造到應用的完全國產(chǎn)化”。

除軌道交通應用外，IGBT也在很多關鍵領域應用。壓接封裝是面向更大容量、能滿足高壓串聯(lián)應用的新型封裝架構，是柔性直流輸電和新型電力系統(tǒng)核心器件。在這一領域，日本東芝和瑞士ABB長期壟斷了國內(nèi)外市場。

面向國家戰(zhàn)略和重大工程需求，劉國友于2010年主持開展壓接封裝IGBT技術研究，獨辟蹊徑，突破了以自適應壓力均衡機制為核心的柔性壓裝技術。首創(chuàng)高壓IGBT元胞大規(guī)模集成及其開關同步控制技術與芯片力學增強一體化子模組結構；獨創(chuàng)方形陶瓷金屬密封、自適應壓力均衡壓接封裝結構，使外殼臺面利用率提升20%，功率密度達到40kVA/cm2，比國外同類產(chǎn)品提升37%，突破了芯片均壓、均流和功率密度技術瓶頸，實現(xiàn)了全球功率密度最高的3600A/4500V超大容量壓接封裝。

3600A/4500V壓接型IGBT模塊，打破國外技術封鎖并達到世界領先水平，成功應用到張北直流電網(wǎng)、烏東德和白鶴灘等重大柔性直流輸電標志性工程，累計實現(xiàn)產(chǎn)值23.1億元，助力國家能源轉(zhuǎn)型和新型電力系統(tǒng)建設，支撐了我國大容量輸電技術從傳統(tǒng)直流到新一代柔性直流的跨越發(fā)展?！叭嵝噪娋W(wǎng)用大容量壓接封裝IGBT關鍵技術及應用”獲2021年度湖南省技術發(fā)明一等獎、湖南專利獎特別獎、中國專利銀獎。

汽車制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級也帶來了IGBT應用市場的“井噴”。相比于傳統(tǒng)汽車，新能源汽車的生產(chǎn)需要用到的芯片可達到500~800個，有的甚至超過1000個。

降低 IGBT 芯片損耗、提高功率密度和可靠性，始終是 IGBT 芯片技術一個主攻方向，尤其是對于乘用車這樣的高溫、高濕、高振動的應用環(huán)境，體積和重量要求特別嚴格，功率密度和可靠性是考量汽車 IGBT 模塊性能的主要參數(shù)。

劉國友主持了溝槽柵IGBT基礎前沿技術研究?？朔圃煸O備薄弱環(huán)節(jié)，發(fā)明了嵌入式發(fā)射極（RET）精細溝槽IGBT結構，取得美國發(fā)明專利，實現(xiàn)芯片結構亞微米級精細化的突破，大幅降低IGBT及FRD動、靜態(tài)損耗，并解決FRD小電流震蕩問題；解決高功率密度汽車IGBT模塊緊湊布局設計與高可靠性之間的矛盾問題，降低端子面積以增強襯板設計靈活性的同時保證端子焊接牢固、可靠；支撐系列汽車級高電流密度芯片及模塊產(chǎn)品開發(fā)并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；實現(xiàn)國產(chǎn)IGBT產(chǎn)品在電動汽車領域160kW及以上高端應用場景的突破，打破國外產(chǎn)品與技術的長期壟斷；保障我國新能源汽車IGBT芯片的自主、安全、可控，推動國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速、可持續(xù)發(fā)展，提升了國產(chǎn)器件在汽車IGBT領域的話語權。

他負責了“新能源汽車用IGBT”“汽車IGBT研發(fā)與試制能力建設”等國家重大產(chǎn)業(yè)化項目實施，2020 年9月自主建成了一條以國際一流的第六代IGBT技術為基礎的 8 英寸、月產(chǎn) 2 萬片汽車級 IGBT芯片生產(chǎn)線，形成汽車級芯片設計、制造、封裝與測試等全套能力，為持續(xù)開展芯片精細化和功能集成技術提供了一個先進技術平臺，滿足年產(chǎn) 240 萬臺新能源汽車應用需要，有力支撐我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，為我國汽車工業(yè)提供新動力?！败囈?guī)級高電流密度精細溝槽IGBT開發(fā)與應用”獲2021年中車科學技術獎特等獎。

經(jīng)過十余年堅持不懈的努力，團隊設計、開發(fā)了全系列IGBT芯片，綜合性能達到國際先進水平，通態(tài)損耗、關斷能力和短路特性等方面優(yōu)于國外同類產(chǎn)品，實現(xiàn)了650V－6500V 8英寸IGBT芯片產(chǎn)業(yè)化，打破國外長期封鎖與壟斷，自主IGBT已占國內(nèi)軌道交通市場60%、新能源汽車市場20%，實現(xiàn)了我國 IGBT 技術從無到有、IGBT產(chǎn)業(yè)由弱到強的歷史性跨越。其中“高壓大電流IGBT關鍵技術及應用”獲2019年國家技術發(fā)明獎二等獎。

8英寸高壓IGBT芯片下線儀式

發(fā)揮行業(yè)輻射功能推動產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈建設

基于功率半導體海外研發(fā)中心、IGBT技術研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化國家重點領域創(chuàng)新團隊和新型功率半導體器件國家重點實驗室等技術平臺，劉國友團隊通過開放性的技術交流與產(chǎn)學研合作，提高行業(yè)影響力。先后與劍橋大學、諾丁漢大學、歐洲電力電子中心（ECPE）、中科院微電子所、清華大學、電子科大、湖南大學等國內(nèi)外知名高校與科研機構建立了長期合作，共同開展 IGBT技術研究，成功申報多項國家和省部級重大課題與政府合作項目等。通過學術交流和相互啟迪，開闊視野，掌握新知，催生新思想、新觀點和新方法。團隊累計發(fā)表學術論文150 余篇，開展技術演講與學術交流 110 余次，擴大了學術影響力。

十余年來，研發(fā)碩果累累，團隊人才輩出。承擔了國家 02 專項、“863”、國家重點研發(fā)計劃、國家發(fā)改委專項等 20余項國家級項目，培養(yǎng)與引進了包括 2 名國家“千人計劃”專家、2 名國家“萬人計劃”專家、 3名“湖湘百人”和 “湖湘英才”等一大批高端人才；推動大功率晶閘管、IGCT、IGBT和SiC技術融通創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展，示范引領了國內(nèi)功率半導體技術進步，支撐了中車功率半導體技術發(fā)展與產(chǎn)品的更新?lián)Q代?！爸熊嘔GBT技術研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新團隊”獲2021年中國電子學會創(chuàng)新團隊獎。

基于中車功率半導體創(chuàng)新平臺與產(chǎn)業(yè)化基地，他們組建了“功率半導體行業(yè)聯(lián)盟”，定期舉辦國際學術論壇和產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略論壇，推動行業(yè)技術進步、標準制定和產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設。

技術與市場雙輪驅(qū)動，打造自主、安全、可控的功率半導體產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，方能推動功率半導體材料、裝備、器件和應用產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，提高行業(yè)整體技術水平與產(chǎn)業(yè)競爭力，支撐高鐵、智能電網(wǎng)等高端裝備制造業(yè)和新能源、電動汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)真正意義上的芯片自主。