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大功率半导体,“湖南智造”领先世界
2014-06-20 08:02:21 湖南日报     [作者:李伟锋]     [责任编辑:彭彭]      字体:【

  大功率半导体,“湖南智造”领先世界

  ——南车株洲所实现IGBT产业化

  

  制图\李雅文

  本报记者 李伟锋 通讯员 刘亚鹏

  2011年5月25日,一个平常的日子。

  这一天,在工业重镇株洲田心,却孕育着一场影响深远的产业变革: 南车株洲所大功率半导体IGBT产业化基地在这里奠基。

  3年过去了,曾经荒芜的土地上矗立起一个具有国际先进水平的研发、生产基地。2014年6月,中国首条8英寸IGBT专业生产线在此建成并即将投产。

  这意味着,在世界大功率半导体高等级的芯片领域,首次有了中国人自主研制的芯片,它的成功投产,标志着我国功率半导体器件开始建立从芯片到模块、再到系统的完整功率半导体产业链。

  指甲大的芯片有多神奇?

  近5000平方米的高标准厂房内,配套一流的空气净化系统、温湿度控制系统、纯水处理系统……6月中旬,走进南车株洲所IGBT产业化基地,众多现代化的设施让记者感觉这不是生产车间,更像是高标准实验室。

  一块光碟大小的硅片上,整齐排列着128个指甲大小的芯片,这就是具有世界领先水平的IGBT芯片。

  IGBT,这种新型功率半导体器件,对大多数人来说,还是一个陌生的名词,她的中文全名为“绝缘栅双极型晶体管”。南车株洲所IGBT事业部总经理刘国友向记者解释,不同功率等级的IGBT芯片有不同的尺寸大小,一般来说,功率等级越高,芯片的尺寸就会越大。以8英寸IGBT芯片来说,它在一个直径为20厘米的圆薄片上,排列有128个芯片,每个芯片的大小大约3平方厘米,相当于一个成人拇指指甲的大小。

  这小小的东西有什么特殊?隔着厚厚的玻璃,看着硅片上闪闪发亮的芯片,记者感觉不出它的神奇。

  “别看这东西样子不大,但内部结构很复杂!”刘国友,这位在英国呆了6年专业研究IGBT芯片的专家比划着告诉记者,从结构上来讲,在这样一个指甲大小、两根头发丝厚的小小芯片里面,并联摆放着6万个被称作“元胞”的基本单元,只有在高倍显微镜下,才可以一睹芯片内的“庐山真面目”;从功能上来说,这种芯片,能够在1秒钟完成一百万次开关动作,实现电流快速转化。

  通俗地说,通过IGBT芯片的作用,可以对复杂、敏感的电压或电流实现灵活控制。如果我们把无形的“电”视为有形的水,电流即水流、电压即水压。人们可以通过控制闸门的开启和关闭,达到改变水的流向和大小的目的;同样,IGBT在电力装置中就像一道闸门,通过它可以控制流经各种电力设备中的电能,使电能利用更加合理、高效。

  IGBT应用有多广?

  IGBT的作用这么大,现实中有哪些应用?

  IGBT是电机控制和功率变换的首选器件,按特定需求封装好的IGBT模块,应用领域广泛。刘国友如数家珍地告诉记者,从传统的电力、机械、矿冶,到轨道交通、航空航天、新能源装备以及特种装备等战略性新兴产业,都有它的身影。装备越高端,IGBT装置的作用更凸显。

  以高铁应用为例,IGBT装置可以说是列车运行的“心脏”。高铁运行中,要在短时间将时速从零提升到300公里以上,反之,也需要在极短的时间内将正在高速运行的列车平稳停下来。这看似简单的加速、减速过程,相关传动设备、牵引变流器以及其他电动设备,要在短暂的时间内完成一系列复杂的高难度动作,这需要确保各种设备所需的电流、电压极为精准、可靠,在目前技术条件下,只有大功率的IGBT才能满足这一苛刻要求。在减速过程中,通过IGBT的作用,还可以将列车减速产生的能量转为电能,回馈给电网。

  在智能电网发展中,同样需要IGBT装置大显身手。电网运行一个重要的前提是安全,但电力来源比较复杂,除了常规的水电、火电外,风电、太阳能光伏发电以及个性化、分布式能源,越来越多的并入电网。正因为电力来源的多样化,给电网安全、平稳运行带来严峻挑战。特别是时有时无、时高时低的风电,对电网安全运行的考验最为突出。要将这些来源复杂、大小不均的“粗电”,转化为均匀、平稳、安全的“精电”,需要IGBT这种半导体装置发挥调节功能,且IGBT装置的功率越大,其能承受的电压区间就越广,调控能力就越强,电网安全性能就越高。

  国防工业领域,同样需要高等级的IGBT装置。刘国友告诉记者,国防装备的特种供电电源、电力驱动、推进、控制等,如舰船推进系统、坦克动力系统等,均需要IGBT装置才能满足其特殊应用需要。在快中子堆、磁约束核聚变等前沿科学研究以及激光、航空航天、航母等前沿技术中,以IGBT为核心器件的超大功率、高性能变流器及其控制系统是必不可少的。

  除了这些“高大上”的装备,日常生活中,IGBT也不可少。比如说,我们使用的变频空调,就是利用IGBT装置对电能进行优化控制,使空调能更加智能、人性化地运行,还可节省30%左右的电能。冰箱、洗衣机、电磁炉、电动汽车等设备中,同样有IGBT的用武之地。

  IGBT研发有多难?

  IGBT作用大,应用广泛,但这一技术长期被极少数经济发达国家所垄断。早些年,我国所有机车车辆用的IGBT模块全部依赖国外进口。每年,高铁、城轨、风电等产业,需要从国外采购数十亿美元的IGBT产品,采购周期长达数月甚至一年以上。“有些领域,国外根本就不卖”。

  早在2006年,国家相关部委就将IGBT器件技术作为重大专项课题,集中进行研发,但由于基础落后、人才匮乏,进展缓慢。IGBT技术的落后,使得我国一些关键产业发展一度受制于人。

  南车株洲所总经理、中国工程院院士丁荣军告诉记者,IGBT是知识和技术密集型产品,要研发、制造出性能优越且具有高可靠性的IGBT,要突破诸多设计、工艺等难点。

  IGBT芯片中的“元胞”,其大小仅头发丝十分之一大小,要将6万个这样的“元胞”,高度均匀地安置在一个指甲大小的芯片上,“元胞”的均匀度,决定芯片功效的高低,“这远胜于在头发丝上雕花,其难度可想而知”。

  IGBT芯片的制造,是一个物理作用与化学作用完美结合的过程。前后共有200多道大大小小的工艺步骤,每个工艺步骤必须精准到位,每项技术火候都必须拿捏得当。否则,“失之毫厘,谬以千里”,一个细小环节的差异,就可能导致整批芯片的报废。

  目前,中国已成为世界上IGBT产品最大的消费市场,以高速动车组、大功率机车、新能源装备、电网为龙头的国内变频产业每年IGBT需求量超过100亿元,且每年以15%以上的速度增长。

  面对使命的召唤、现实的尴尬、市场的需求,凭借企业50多年大功率半导体器件研制的历史积淀,南车株洲所毅然启动对IGBT这一国家技术难题的自主攻关,打响一场“攻坚战”。

  研发出中国的IGBT有多重要?

  “十一五”初期,南车株洲所在国内率先启动“高压IGBT元件研制”项目。然而,想在短短几年内,完全依靠自身力量,独立自主研发掌握核心技术并推动IGBT技术产业化难度极大。南车株洲所智慧地选择了一条“捷径”——实施“收购-整合-创新”战略,通过全球性战略布局,吸纳国际优势研发资源,对IGBT技术进行自主攻关。

  2008年10月31日,南车株洲所下属株洲南车时代电气股份有限公司成功收购英国丹尼克斯半导体公司75%的股权,为中国南车实现IGBT技术的突破打开了一扇窗。

  丹尼克斯半导体公司是世界知名的半导体公司,也是全球最早开发IGBT技术的厂家。被并购时,该公司拥4英寸IGBT芯片设计、制造、模块封装的完整全套技术。“采用资本运作的手段,改变了我国IGBT技术及产业长期受制于人的局面。”行业专家、投资者给出高度评价。

  为使丹尼克斯半导体公司已有的4英寸IGBT生产线生产出的产品适应中国轨道交通的应用,株洲所在此基础上自主研发并组建了新的6英寸IGBT生产线。

  高层的关注和期望则为南车株洲所攻克国家难题注入了强大动力。2009年6月,时任国务院总理温家宝在视察中国南车株洲所时,殷切寄语,一定要抓住轨道交通大发展的大好机遇,上规模、上水平,勇克IGBT等国家技术难题,早日达到世界领先水平!

  省委书记、省人大常委会主任徐守盛、省长杜家毫等省领导,也对IGBT研发和产业化项目给予高度关注和大力支持。

  为了更好地吸纳全球,特别是欧洲顶尖技术和人才资源,加速IGBT技术及产业化进程,2010年,公司在英国组建起功率半导体器件海外研发中心。

  2012年,南车株洲所率先在国内研制出3300伏高压IGBT芯片,从芯片到模块,全部自主研制。它的成功研制,宣告了中国人在3300伏高压等级的IGBT芯片研发领域有了一席之地。

  更具市场意义的是,国际市场对中国的IGBT芯片价格应声下跌:3300伏的IGBT芯片,其价格几乎“腰斩”。

  随后,4500伏、6500伏等更高电压等级的IGBT芯片相继在南车株洲所研发成功,满足了轨道交通、智能电网等高端应用领域的需要,并且实现IGBT制造技术从6英寸到8英寸的跨越。

  IGBT产业前景有多大?

  产品研发的活力在市场。为了把拥有自主知识产权的IGBT产品尽快推向市场,南车株洲所启动大规模产业化项目。

  在攻克30多项关键核心技术后,南车株洲所拥有了从芯片设计、封装测试、可靠性试验、系统应用等全流程、完整的技术和工艺体系,具备了大规模产业化条件。成为国内目前唯一一家全面掌握IGBT芯片技术研发、模块封装测试和系统应用的企业。

  新投产的IGBT产业化基地,具备年产12万片8英寸IGBT芯片和100万只IGBT模块的能力,年产值有望超过20亿元,其产业规模和技术实力均达到国际领先水平。

  据介绍,南车株洲所在现有8英寸IGBT专业芯片生产线基础上,还同时建设IGBT模块生产线。产品电压等级从650伏到6500伏,可满足轨道交通以及电动汽车、风力发电、太阳能发电、智能电网、高压变频、工业传动等多个行业需求,致力打造我国首个完全依靠自主能力建设、产能规模最大、技术实力最强、产品型号最全的大功率IGBT产业化基地。

  产业还将继续拓展。南车株洲所与中国科学院微电子研究所联合,组建新型电力电子器件研发中心,开展以碳化硅为基础材料的新型电力电子器件技术与产业化的研究。目前,中心已成功研制出样品,并组合封装成混合型IGBT模块。该公司还将与国内其他单位及相关科研院所一道,开展“碳化硅电力电子器件集成制造技术研发与产业化”、“6英寸碳化硅单晶材料研发与产业化及其在大功率IGBT等器件中的应用”研究。

  为放大产业规模效应,南车株洲所正在牵头策划成立中国IGBT技术创新与产业联盟,谋划整合国内IGBT产业从材料到应用的上下游优势资源,推动中国IGBT产业发展。

  中国IGBT产业航母,将在湖南扬帆起航!

  相关链接:国际IGBT技术及产业现状

  IGBT技术要求高,掌握该技术的企业为数不多,产品的市场份额较为集中。目前,全球IGBT市场主要为日本和欧美企业占据,中国国内的IGBT需求主要依靠进口或合资生产企业解决。

  据有关统计,国际前4名的企业在IGBT市场合计占有超过75%的份额,其中日本三菱电气市场份额超过30%(在家电领域占有度高),德国英飞凌市场份额超过20%(在工控领域占有度高)。

  (本报记者 李伟锋 整理)

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