中國南車株洲所：用心打造中國“芯”

朱輝躍 王南

2014年6月20日，是一個不平凡的日子。

這一天，具有自主知識產權的國內首條、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”）芯片線在株洲全面建成投入運行，首期預計實現年產12萬片8英寸IGBT芯片，并配套生產100萬只IGBT模塊的能力。

這意味著，在高端IGBT系列技術上，真正有了中國“芯”。它的投產，對于保障國民經濟安全、實現關鍵技術不受制于人具有重大戰略意義，而該芯片的制造者，南車株洲電力機車研究所有限公司（以下簡稱中國南車株洲所）也因此成為世界上少數幾家掌握IGBT成套技術及產業化能力的企業之一。

牽一發而動全身的芯片

IGBT是當今功率半導體器件技術最為復雜、應用最為廣泛的器件，其作用和地位相當于計算機中的“CPU”，被譽為功率半導體技術中“皇冠上的明珠”，摘取這一明珠的過程折射出中國企業高端裝備關鍵技術自主創新的艱辛歷程。

在中國南車株洲所的8英寸IGBT研制現場，記者看到，在一塊光碟大小的硅片上，整齊排列著128個指甲大小的芯片，這就是具有世界領先水平的8英寸IGBT芯片。

據該公司IGBT事業部總經理劉國友介紹，就是這樣一塊指甲大小，厚度僅為兩根頭發絲的芯片里，布滿了超過5萬個密密麻麻的稱之“元胞”電路，它靈敏的控制著最高超過6500伏的大電壓和超過1200安培的大電流，實現對電能有效轉換和控制，為各種電力設備提供不同功率等級的電能。

“IGBT設計復雜，工藝復雜，任何一個電路的設計都是在微米級中完成，其難度無異于針尖上立麥芒。”劉國友介紹說。

從功能上來說，這種“能夠在1秒鐘完成100萬次電流的關斷和開啟動作，實現電能快速轉化”的芯片，確有著廣泛的應用領域，在軌道交通、新能源、石油冶煉、船舶驅動、航空航天等戰略性產業裝備上無處不在，就連我們普通的家用變頻空調、吸塵器，也可以看到它的身影，可以說，誰掌握了IGBT器件及應用技術，誰就掌握了功率半導體器件市場的話語權。

目前，中國已成為世界上IGBT產品最大的消費市場，以高速動車組、大功率機車、新能源裝備、電網為龍頭的國內變頻產業每年IGBT需求量超過100億元以上，且每年以15%以上的速度增長，隨著國家產業結構轉型和升級，以及戰略性新興產業的發展，IGBT的應用空間十分可觀。

中國工程院院士、中國南車株洲所總經理丁榮軍表示，初步估算，如果將IGBT等電力電子技術應用到中國20%的電機中，可以使其電能使用效率提高15%—30%，每年可節約用電2000億千瓦時，相當于兩個三峽電站的年發電量。

然而，一個尷尬的事實困擾著人們，由于底子薄弱，基礎研發水平落后，中國在IGBT技術特別是其中關鍵的芯片技術上長期處于落后水平，以軌道交通為例，早些年中國幾乎所有的機車車輛的IGBT模塊都依賴進口，特別是在高等級的IGBT器件上，更沒有中國企業的一席之地，即使作為中國牽引電傳動技術的領軍企業，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。

使命的召喚、市場的需求，設計中國人自己的IGBT，成為包括中國南車株洲所在內的民族企業的夙愿。

50年深厚積淀

技術創新的路徑很多，是什么秘訣讓中國南車株洲所在IGBT技術攻關上一路領先？

眾所周知，中國南車株洲所是中國軌道交通牽引電傳動系統集成技術及產業的領軍者，該公司先后主持開發了牽引電傳動系統，裝備應用到國內高速動車組、大功率交流傳動電力機車、內燃機車和城市軌道車輛，占據國內自主品牌近70%的市場份額。

作為牽引電傳動系統中的關鍵器件，功率半導體技術是整個系統技術的重要一環，長期以來，中國南車株洲所走在國內前列，具有深厚的歷史積淀。

1964年，中國南車株洲所首次將功率半導體器件技術運用在國產化的“韶山”電力機車上。同一年，該公司開始試制整流二極管并取得成功，揭開了公司功率半導體技術及產業化的序幕。

上世紀80年代中期，該公司通過技術引進和自主研發，在功率半導體晶閘管技術上率先發力，經過20多年的努力，先后開發出多個尺寸、多種功率等級的晶閘管產品，打破國外在此項技術的壟斷。

2000年，中國南車株洲所建成了國內第一條具有自主知識產權的4英寸全壓接器件生產線。

2006年，又成功研制出世界第一只6英寸晶閘管，極大增強了國家推動特高壓直流輸電項目國產化的信心。

2009年，公司投入3.5億元建設的 5至6英寸全壓接高壓大電流器件廠房投產。

數十年來，通過自主開發和技術引進相結合，中國南車株洲所功率半導體技術不斷提升，為該公司在先進的功率半導體器件——IGBT技術的突破奠定了堅實的技術底蘊和人才儲備。

組合拳帶來的巨大效應

“十一五”（2006—2010年）以來，隨著國家對IGBT等戰略性關鍵技術的認識越來越深刻，以及中國高端裝備產業發展的客觀需求，在國家發改委、科技部、工信部、原鐵道部等國家部委的支持下，中國南車株洲所又率先啟動“高壓IGBT元件研制”項目。

然而，要想在短短幾年內，完全依靠自身力量，獨立自主研發掌握IGBT全套技術，快速實現其產業化談何容易。

中國南車株洲所選擇了一條“捷徑”——實施“收購-整合-創新”戰略，通過全球性戰略布局，吸納國際優勢研發資源，對IGBT技術進行攻關。

2008年，在全球金融危機陰云籠罩下，中國南車株洲所下屬的時代電氣公司渡過英吉利海峽，并購世界著名半導體公司丹尼克斯，一時間在業內引起巨大反響。

丹尼克斯公司是世界上少數的集設計、研發和制造能力于一體的獨立的電力電子器件制造商之一，其擁有一條4英寸IGBT芯片設計、制造、模塊封裝的完整全套技術，但由于缺乏應用平臺的支持和后續資金的投入，其IGBT技術及產業沒有真正實現規模效應，落后于其它先進公司，而這恰恰是中國南車株洲所的優勢所在。雙方的“聯姻”，完全做到了優勢互補，產生了強大的協同效應。

并購后，中國南車株洲所打了一套組合拳：2010年注資一個多億將丹尼克斯原有4英寸線升級到世界主流6英寸線；2011年，中國南車株洲所又投資近1個億，在英國成立中國首個功率半導體技術海外研發中心，利用西歐先進的人才和技術資源，開展IGBT技術的研制，該研發中心成為中國南車株洲所后來突破8英寸IGBT的重要平臺。

同時，該公司在株洲加快了IGBT技術及產業化的步伐，2009年，率先在國內建立第一條TGBT模塊封裝線；隨后2011年，又大手筆一次性投資15個億，啟動我國第一條8英寸IGBT芯片生產線的建設。

這一系列舉措，使得中國南車株洲所的技術得到了全面提升，大大縮小了與世界先進企業的差距。

經過6年多的努力，中國南車株洲所在攻克30多項關鍵核心技術后，全面擁有了從芯片設計、封裝測試、可靠性試驗、系統應用等全流程、完整的技術和工藝體系，具備了大規模產業化條件，成為國內目前唯一一家全面掌握IGBT芯片技術研發、模塊封裝測試和系統應用的企業。

不斷擴大的產業規模

“在全球化范圍內，8英寸IGBT技術的突破，宣告中國南車株洲所進入IGBT的第一梯隊。”劉國友告訴記者。

但這僅僅是“萬里長征走完了第一步”，中國南車株洲所在現有8英寸IGBT專業芯片生產線基礎上，還同時建設IGBT模塊生產線。加快產品系列化、標準化、模塊化的開發力度，可滿足國內軌道交通、電動汽車、風力發電、太陽能發電、智能電網、高壓變頻、工業傳動等多個行業需求，致力打造中國首個完全依靠自主能力建設、產能規模最大、技術實力最強、產品型號最全的大功率IGBT產業化基地。劉國友解釋到。

同時，為進一步鞏固技術優勢，中國南車株洲所正在牽頭策劃成立中國IGBT技術創新與產業聯盟，謀劃整合國內IGBT產業從材料到應用的上下游優勢資源，推動中國IGBT產業發展。

創新的腳步還在繼續，2011年，中國南車株洲所與中國科學院微電子研究所聯合，組建新型電力電子器件聯合研發中心，開展以碳化硅為基礎材料的新型電力電子器件技術與產業化的研究，目前，中心已成功研制出樣品，并組合封裝成混合型IGBT模塊。該公司還將與國內其他單位及相關科研院所一道，開展“碳化硅電力電子器件集成制造技術研發與產業化”、“6英寸碳化硅單晶材料研發與產業化及其在大功率IGBT等器件中的應用”研究。