為了摘取“皇冠上的明珠”—中國南車株洲所IGBT技術及產業(yè)化發(fā)展紀實

文/劉亞鵬

皇冠上的明珠熠熠生輝，自古人人仰慕，心向往之！

然而敢于摘取皇冠上的明珠，在勇氣、魄力之外，更需兼有智慧、實力、耐力和毅力等諸多優(yōu)秀元素于一身，方能成為最后的勝者！

IGBT,中文全稱為絕緣柵雙極晶體管，是自動控制和功率變換的關鍵部件，也是功率半導體器件第三次技術革命的代表性產品。它在軌道交通、航空航天、船舶驅動、智能電網、新能源裝備等新興產業(yè)具有不可替代的作用，尤其是在運營情況復雜多變、綜合技術要求很高的軌道交通領域，它被稱為牽引變流器的“CPU”。作為融合多種高科技于一身的集大成者，IGBT尤其是高電壓高電流IGBT芯片技術一直被譽為現代機車車輛技術“皇冠上的明珠”。

2012年12月21日，一場看似不起眼的“軌道交通用3300伏IGBT芯片研制及其應用”的科技成果鑒定會在長沙舉行。包括中國工程院院士劉友梅、清華大學教授錢佩信、中國電器工業(yè)協(xié)會電力電子分會秘書長肖向鋒等10余名國內軌道交通、電力電子行業(yè)的專家學者匯聚一堂，共同對此軌道交通用3300伏IGBT芯片進行鑒定。在經歷數小時的認真審核后，專家們一致認為，中國南車株洲所研制的3300伏高壓IGBT芯片代表軌道交通用該電壓等級IGBT器件技術的最高水平，填補了國內在該領域的空白，為我國建立IGBT芯片研制—模塊封裝測試—系統(tǒng)應用的完整產業(yè)鏈，實現重大民族裝備自主掌握，突破了最關鍵節(jié)點，為我國高等級IGBT芯片技術比肩國際先進水平作出了貢獻。

近10年來，摘取這顆“皇冠上的明珠”始終是國內軌道交通裝備制造企業(yè)的孜孜以求的目標，并為此投入了大量的人力和物力?！笆晃濉币詠恚袊宪囍曛匏劳性诖蠊β孰娏﹄娮悠骷I域多年積淀的成果，匯集最優(yōu)質的資源，歷經艱辛，矢志不渝，終于率先成功摘取了這顆“皇冠上的明珠” 。

召喚：攻克國家難題的擔當

IGBT在機車車輛上到底有什么作用？

俗話說，“火車跑的快，全靠車頭帶”，高速和重載是現代機車車輛裝備發(fā)展的兩個重要方向，要實現兩者的關鍵是要給機車提供一個強大而持續(xù)發(fā)力的“心臟”，這個心臟就是牽引電傳動系統(tǒng)。而牽引電傳動系統(tǒng)的關鍵部件就是牽引變流器，它是機車功率轉換的必備部件，要實現機車功率等級提高和操控的靈活自如，就離不開IGBT了。盡管一塊IGBT模塊只有巴掌大小，它卻是駕馭一臺龐大的機車的“命脈”，所以，業(yè)界也有把IGBT稱為“機車之核”的，足見其重要性。

中國南車株洲所是我國軌道交通牽引電傳動系統(tǒng)集成技術及產業(yè)的領軍者，承襲50多年的深厚積淀和優(yōu)勢地位，中國南車株洲所先后主持開發(fā)了牽引電傳動及其控制系統(tǒng)，裝備在國內高速動車組、大功率交流傳動電力機車、內燃機車和城市軌道車輛上，占據國內自主品牌近70%的市場份額，成為推動中國軌道交通關鍵部件裝備的核心力量。

然而早些年，一個尷尬的事實困擾所有的機車人—我國幾乎所有的機車車輛用IGBT模塊全部依賴國外進口，特別是在高等級的IGBT器件上，更沒有中國人的一席之地。即使作為中國牽引電傳動技術的領軍企業(yè)，中國南車株洲所也依然每年花費數億元從國外采購IGBT產品。能夠自主設計制造中國人自己的IGBT芯片及模塊是中國南車株洲所矢志追求的夙愿。

與此同時，伴隨著中國軌道交通高速發(fā)展的步伐，國內軌道交通產業(yè)對于IGBT的需求猛增，據國際權威機構ISUPPLI測算 ，2011年，全球電力電子器件市場規(guī)模達到200億美元，2015年將達到245億美元，未來，全球包括IGBT在內的電力電子市場規(guī)模將保持5%以上增長率。就國內軌道交通市場而言，預計未來10年中國軌道交通牽引市場每年對3300伏等級的IGBT模塊需求量就達到10萬～20萬只/年，市場前景非常可觀。

那么，為什么IGBT器件技術這么難呢？

IGBT器件技術分為IGBT芯片技術、模塊封裝技術及應用測試技術三大塊。芯片技術是其中最為關鍵的技術，以7200千瓦大功率交流電力機車用IGBT為例，一塊IGBT模塊內共有36塊指甲大小的芯片，每塊芯片并聯(lián)擺放5萬個被稱作為“元胞”的電子單元。這些“元胞”相當于IGBT的“細胞”，它們能夠在百萬分之一秒的時間內實現電流的快速轉化。而要在指甲大小的芯片上均勻加工處理5萬個細如發(fā)絲的“元胞”，難度無異于在“針尖上繡花”。業(yè)界認為，誰掌握了該項技術，誰就打開了通往IGBT系統(tǒng)集成技術的“阿里巴巴之門”。

早在2007年，國家相關部委聯(lián)合下發(fā)了《當前優(yōu)先發(fā)展的高技術產業(yè)化重點領域指南》，指南中就明確指出，要重點鼓勵發(fā)展IGBT項目。相關部門將IGBT器件技術作為我國重大專項課題，曾投入百億元之巨，集中進行研發(fā)，但因為種種原因，進展緩慢，成效不大。據業(yè)內專家分析統(tǒng)計，中國當前的功率半導體器件技術水平至少比國外落后15年以上。

2009年6月，時任國務院總理溫家寶在視察中國南車株洲所時，曾殷切寄語：機車車輛很多核心技術不是有錢就能買到的，你們的擔子很重，一定要抓住軌道交通大發(fā)展的大好機遇，上規(guī)模、上水平，勇克IGBT等國家技術難題，早日達到世界領先地位，希望寄托在你們身上！

市場的需求，現實的尷尬，總理的寄托，催生中國南車株洲所打響了一場IGBT項目攻堅戰(zhàn)。

“在國產化IGBT芯片及模塊的自主創(chuàng)新過程中，中國南車作為國有大型骨干企業(yè)要主動承擔起重任，發(fā)揮創(chuàng)新主體主力軍作用，在公司既有技術和產業(yè)化經驗的基礎上，中國南車株洲所要整合國內外的資源和力量，通過產學研結合，把創(chuàng)新主體的作用發(fā)揮到位，走中國特色的自主創(chuàng)新道路，早日摘取這顆‘皇冠上的明珠’!”中國工程院院士、公司執(zhí)行董事、總經理丁榮軍擲地有聲。

勇氣：讓歷史照亮發(fā)展前程

中國南車株洲所追逐“明珠”的腳步可以追溯到上個世紀60年代初，在建所初期就已起步。

20世紀60年代初,中國南車株洲所從零起步開始了電力機車電氣系統(tǒng)的研究、設計、制造工作,用20年的時間走過了國外大約50年走過的路。中國南車株洲所依靠自己的力量，聯(lián)合主機廠生產出了新中國首臺電力機車，并首次用硅整流器取代傳統(tǒng)的引燃管整流器，開啟了國產電力機車的“電力電子時代”。在這個過程中積累了寶貴的經驗，培養(yǎng)了我國最早的半導體器件研發(fā)隊伍。

改革開放以后，中國南車株洲所利用鐵道部引進8K電力機車的機遇，從美國西屋公司引進一條3英寸大功率半導體生產線。正是這條配置不全、夾雜許多國產及自制設備的“半條生產線”，在中國南車株洲所創(chuàng)造性地將原有工序拆分，使每條工序更加精細，成為當時國內引進的12條半導體生產線中最成功的一條。

隨著研發(fā)的不斷深入，中國南車株洲所消化吸收當時世界上先進的全套半導體燒結工藝，逐步追趕世界先進水平，先后自主開發(fā)了全壓接技術和GTO器件技術，代表當時國際自動關斷器件的最高水平。

2004年，成功研制5英寸系列普通晶閘管和整流管，成功應用到高壓直流輸電領域；

2005年，自主研發(fā)4000安/4500伏IGCT器件，使我國成為世界上第三個掌握該項技術的國家；

2006年，成功研制世界上第一只6英寸晶閘管，這是世界上最大直徑、最大電流電壓容量的晶閘管，使我國80萬伏以上的超高壓直流輸電成為現實。

通過自主開發(fā)和引進吸收相結合，中國南車株洲所功率半導體技術從合金法發(fā)展到擴散法，從燒結型器件發(fā)展到全壓型器件，產品品種從單一型整流管發(fā)展到集整流管、晶閘管、快速整流管、快速晶閘管、GTO、IGCT等多個功率等級于一體的功率半導體器件的研制基地，為中國南車株洲所在IGBT器件技術上的崛起樹立了寶貴的信心和勇氣。

由此可見，中國南車株洲所敢于角逐摘取“皇冠明珠”的勇氣源于半個多世紀的準備和深厚積淀。這筆寶貴的財富，是同行及后來者所無法復制的！

破題，基于產業(yè)鏈提升的并購

改革永無止境，發(fā)展永無停滯。

雖然，中國南車株洲所掌握了雙極器件技術，但對技術更為先進IGBT芯片及模塊設計、制造技術還是空白。這直接影響到了公司以牽引變流為核心的產業(yè)結構的完整性。

在中國南車株洲所產業(yè)化的進程中，始終深藏著一個“IGBT夢”。

IGBT作為當今最符合節(jié)能與環(huán)保的電力電子產品，其應用范圍之廣泛、市場前景之廣闊，無疑是企業(yè)家、投資者最理想的節(jié)能產品。誰掌握了IGBT器件技術，誰就掌握了功率半導體器件市場的話語權。

IGBT是由雙極型三極管和絕緣柵型場效應管組成的復合全控型電壓驅動式器件，具有驅動容易、控制簡單、開關頻率高、導通電壓低、通態(tài)電流大、損耗小等特點。它付出較小的功率就能控制高電壓和大電流，并且能夠根據實際需求進行變化。采用IGBT進行功率變換，能夠提高用電效率和質量，節(jié)能效果十分明顯，在家電領域，可比普通的變頻家電節(jié)電30%；在軌道交通、智能電網、航空航天、船舶驅動、新能源裝備等行業(yè)采用IGBT的大型功率變流裝置，節(jié)電和節(jié)能效果也十分明顯。

由于我國IGBT器件技術及產業(yè)化發(fā)展較晚，加之技術門檻難度之高、投入之大，目前中國市場的IGBT產品基本依賴進口；不僅如此，在技術和市場都被壟斷的情況下，國外器件的采購均是“長周期、高價格”。例如，一個IGBT器件價格高達數萬元，它的采購周期長達數月甚至半年以上，長此以往，必將影響我國電力電子產業(yè)的持續(xù)健康快速發(fā)展，更是嚴重阻礙我國戰(zhàn)略性新興產業(yè)的長遠發(fā)展，特別是在軌道交通牽引裝備、柔性直流輸電等基礎產業(yè)領域。

如何盡快突破IGBT芯片技術，率先打造一條從IGBT芯片研制—模塊封裝—系統(tǒng)應用測試的完整IGBT產業(yè)鏈，成為我國政府及產業(yè)界的共同訴求?；诂F在良好的政策平臺和市場前景，以及自身雄厚的技術基礎和人才實力，中國南車株洲所要敢為人先，抓住機會，率先獲取IGBT全套技術。

而要想在短短的幾年時間，自主研發(fā)并掌握這一高端技術是幾乎難以做到的，如果采取完全獨立自主研發(fā)的方向，則需要耗費大量的時間、成本和資源，而且技術、能力和結果都不一定得到保障。

2008年10月31日，是一個對于中國功率半導體產業(yè)來說具有重大意義的日子，中國南車株洲所下屬的株洲南車時代電氣股份有限公司成功收購英國丹尼克斯半導體公司75%的股權，成為中國軌道交通裝備企業(yè)首個海外并購項目。

丹尼克斯半導體公司是世界知名的半導體公司，也是全球最早開發(fā)IGBT技術的廠家，在收購完成當日，丁榮軍不無感慨地說：“通過收購，中國南車株洲所具備了大功率高壓晶閘管、IGCT和IGBT等半導體產品的完整產品結構，可以為國內外電力電子裝置企業(yè)提供功率半導體器件的全套解決方案。”

這是一個雙贏的協(xié)議，收購丹尼克斯半導體公司，目的是充分發(fā)揮雙方的互補優(yōu)勢，在中國快速發(fā)展的軌道交通市場上，丹尼克斯半導體公司可以充分利用其巨大的技術優(yōu)勢，開拓中國龐大的牽引變流市場，獲得快速發(fā)展的動力；同時，中國南車株洲所也可以學習對方的先進管理經驗和技術開發(fā)模式，有利于實現技術升級和產業(yè)鏈的提升。

“采用資本運作的手段，改變了我國IGBT技術及產業(yè)長期受制于人的局面”，對于此項并購，投資者、行業(yè)專家給予了高度評價。

蝶變，快速嫁接的幾何級效應

對于中國南車株洲所來說，并購丹尼克斯半導體公司只是萬里長征的第一步。

在實施跨國產業(yè)并購后，如何發(fā)揮雙方優(yōu)勢，做到既不損害小股東利益，又有步驟地實施技術嫁接、提升并實現產品自主化，創(chuàng)建中國自主的IGBT民族品牌，是擺在中國南車株洲所面前的一道戰(zhàn)略重任。

為此，中國南車株洲所采取了“兩翼齊飛”戰(zhàn)略。

丹尼克斯半導體公司盡管是世界最早進行IGBT技術研發(fā)的廠家，但由于多種原因，特別是資金投入不足，沒有形成很大的產業(yè)規(guī)模，發(fā)展較為緩慢，為了使其盡快走上良性發(fā)展的道路有必要對其進行“輸血”。為此，中國南車株洲所投入巨資，對其廠房、發(fā)展平臺進行改造，重頭戲之一就是將其原有的4英寸IGBT芯片進行升級改造成為6英寸IGBT芯片生產線，實現了技術和工藝的全面升級，使之重新走上快速健康發(fā)展的道路。

借助丹尼克斯半導體公司在歐洲的“橋頭堡”作用，2010年5月，中國南車株洲所在英國林肯成立功率半導體研發(fā)中心，成為中國軌道交通裝備制造企業(yè)首個海外研發(fā)中心。該中心匯聚了來自全球半導體行業(yè)的近40名頂尖的中外高級專家，投入精力集中開發(fā)新一代IGBT芯片技術、新一代高功率密度IGBT模塊技術和下一代碳化硅功率器件技術等前沿基礎技術，兩年多來，成果顯著，成功開發(fā)了多個電壓等級的IGBT芯片和模塊產品。

研發(fā)中心成為中國南車株洲所對外技術交流的前沿窗口和橋梁，成為中國南車株洲所吸聚和整合全球技術資源的重要平臺。

與此同時，中國南車株洲所在國內加快開始了IGBT產業(yè)化的進程。

2009年，中國南車株洲所在國內建成第一條工藝能力完整的IGBT模塊封裝線，該生產線定位于技術要求最高的軌道交通用高壓IGBT的封裝，年產能超過6萬只IGBT模塊。

為了獲得更多的市場數據，中國南車株洲所成功在國內50多輛城市軌道車輛、大功率交流傳動電力機車上對國產IGBT模塊實現裝車運營，通過數十萬公里的前期試驗、器件技術參數優(yōu)化、變流器參數匹配等嚴格考核，其表現與同功率等級國外產品處于同等水平。

中國南車株洲所還積極獲取國家的政策和項目支持，積極參與國家重大項目，承擔了國家“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝” 重大專項中的“高速機車高壓芯片封裝機模塊技術研發(fā)及產業(yè)化”項目，參與了“6500伏新型高壓芯片工業(yè)開發(fā)及產業(yè)化”項目。通過持續(xù)的深入研究，中國南車株洲所IGBT器件技術整體已經躍上新的臺階

2011年5月，中國南車株洲所再次發(fā)力，一次性在株洲投入14億元，建設國內第一條8英寸的IGBT芯片生產基地?；卦O計年生產12萬片8英寸IGBT芯片和100萬只IGBT模塊，成為國內唯一一家全面掌握IGBT芯片技術研發(fā)、模塊封裝測試和系統(tǒng)應用的企業(yè)。

此外，中國南車株洲所還致力于推動產學研結合，與中國科學院微電子技術研究所共同組建新型電力電子器件聯(lián)合研發(fā)中心，開展以碳化硅（SIC）為基礎材料的新型IGBT技術研發(fā)，以期掌握未來競爭中的主動權。在兩個單位的共同努力下，成功研制出SiC IGBT芯片樣品，構建了SiC IGBT的封裝模型，為未來的可持續(xù)發(fā)展提供強勁動力。

短短數年，輕舟已過萬重山，回望過去，中國南車株洲所IGBT等功率半導體產業(yè)從最初的蹣跚學步到今日茁壯成長，匯集了三代科技專家的心血和智慧。展望未來，依然任重道遠，但敢為人先的中國南車株洲所將繼續(xù)以創(chuàng)新者的眼光、先行者的姿態(tài)、戰(zhàn)斗者的步伐，擔當起振興重大民族裝備產業(yè)的歷史重任。