2011年5月25日，一個平常的日子。

這一天，在工業(yè)重鎮(zhèn)株洲田心，卻孕育著一場影響深遠(yuǎn)的產(chǎn)業(yè) 變革: 南車株洲所大功率半導(dǎo)體IGBT產(chǎn)業(yè)化基地在這里奠基。

3年過去了，曾經(jīng)荒蕪的土地上矗立起一個具有國際先進(jìn)水平的研發(fā)、生產(chǎn)基地。2014年6月，中國首條8英寸IGBT專業(yè)生產(chǎn)線在此建成并即將投產(chǎn)。

這意味著，在世界大功率半導(dǎo) 體高等級的芯片領(lǐng)域，首次有了中國人自主研制的芯片，它的成功投產(chǎn)，標(biāo)志著我國功率半導(dǎo)體器件開始建立從芯片到模塊、再到系統(tǒng)的完整功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈。

指甲大的芯片有多神奇?

近5000平方米的高標(biāo)準(zhǔn)廠房內(nèi)，配套一流的空氣凈化系統(tǒng)、溫濕度控制系統(tǒng)、純水處理系統(tǒng)……6月中旬，走進(jìn)南車株洲所IGBT產(chǎn)業(yè)化基地，眾多現(xiàn)代化的設(shè)施感覺這不是生產(chǎn)車間，更像是高標(biāo)準(zhǔn)實驗室。

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(lǐng)先水平的IGBT芯 片。

IGBT，這種新型功率半導(dǎo)體器 件，對大多數(shù)人來說，還是一個陌生的名詞,她的中文全名為“絕緣柵雙極型晶體管”。南車株洲所IGBT事業(yè)部總經(jīng)理劉國友向記者解釋，不同功率等級的IGBT芯片有不同的尺寸大小，一般來說，功率等級越高，芯片的尺寸就會越大。以8英寸IGBT芯片來說，它在一個直徑為20厘米的圓薄片上，排列有 128個芯片,每個芯片的大小大約3 平方厘米，相當(dāng)于一個成人拇指指甲的大小。

這小小的東西有什么特殊?隔著厚厚的玻璃，看著硅片上閃閃發(fā)亮的芯片，感覺不出它的神奇。

“別看這東西樣子不大，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)很復(fù)雜!”劉國友，這位在英國呆了6年專業(yè)研究IGBT芯片的專家比劃著告訴記者，從結(jié)構(gòu)上來講，在這樣一個指甲大小、兩根頭 發(fā)絲厚的小小芯片里面，并聯(lián)擺放著6萬個被稱作“元胞”的基本單元，只有在高倍顯微鏡下，才可以一睹芯片內(nèi)的“廬山真面目”;從功能上來說，這種芯片，能夠在1秒鐘完成一百萬次開關(guān)動作，實現(xiàn)電流快速轉(zhuǎn)化。

通俗地說，通過IGBT芯片的作用，可以對復(fù)雜、敏感的電壓或電流實現(xiàn)靈活控制。如果我們把無形的“電”視為有形的水，電流即水流、電壓即水壓。人們可以通過控制閘門的開啟和關(guān)閉，達(dá)到改變水的流向和大小的目的;同樣，IGBT在電力裝置中就像一道閘門，通過它可以控制流經(jīng)各種電力設(shè)備中的電能，使電能利用更加合理、高效。

IGBT應(yīng)用有多廣?

IGBT的作用這么大，現(xiàn)實中有哪些應(yīng)用?

IGBT是電機(jī)控制和功率變換的首選器件,按特定需求封裝好的IGBT模塊，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。劉國友如數(shù)家珍地告訴記者，從傳統(tǒng)的電力、機(jī)械、礦冶，到軌道交通、航空航天、新能源裝備以及特種裝備等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，都有它的身影。裝備越高端，IGBT裝置的作用更凸顯。

以高鐵應(yīng)用為例，IGBT裝置可以說是列車運行的“心臟”。高鐵運行中，要在短時間將時速從零提升到300公里以上，反之，也需要在極短的時間內(nèi)將正在高速運行的列車平穩(wěn)停下來。這看似簡單的加速、減速過程，相關(guān)傳動設(shè)備、牽引變流器以及其他電動設(shè)備，要在短暫的時間內(nèi)完成一系列復(fù)雜的高難度動作，這需要確保各種設(shè)備所需的電流、電壓極為精準(zhǔn)、可靠，在目前技術(shù)條件下，只有大功率的IGBT才能滿足這一苛刻要求。在減速過程中，通過IGBT的作用，還可 以將列車減速產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)為電能，回饋給電網(wǎng)。

在智能電網(wǎng)發(fā)展中，同樣需要IGBT裝置大顯身手。電網(wǎng)運行一個重要的前提是安全，但電力來源比較復(fù)雜，除了常規(guī)的水電、火電 外，風(fēng)電、太陽能光伏發(fā)電以及個性化、分布式能源，越來越多的并入電網(wǎng)。正因為電力來源的多樣 化，給電網(wǎng)安全、平穩(wěn)運行帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。特別是時有時無、時高時低的風(fēng)電，對電網(wǎng)安全運行的考驗最為突出。要將這些來源復(fù)雜、大小不均的“粗電”，轉(zhuǎn)化為均勻、平 穩(wěn)、安全的“精電”，需要IGBT這種半導(dǎo)體裝置發(fā)揮調(diào)節(jié)功能，且 IGBT裝置的功率越大，其能承受的 電壓區(qū)間就越廣，調(diào)控能力就越強(qiáng)，電網(wǎng)安全性能就越高。

國防工業(yè)領(lǐng)域，同樣需要高等級的IGBT裝置。劉國友告訴記者， 國防裝備的特種供電電源、電力驅(qū) 動、推進(jìn)、控制等，如艦船推進(jìn)系統(tǒng)、坦克動力系統(tǒng)等，均需要 IGBT裝置才能滿足其特殊應(yīng)用需要。在快中子堆、磁約束核聚變等 前沿科學(xué)研究以及激光、航空航天、航母等前沿技術(shù)中，以IGBT為 核心器件的超大功率、高性能變流 器及其控制系統(tǒng)是必不可少的。

除了這些“高大上”的裝備，日常生活中，IGBT也不可少。比如說，我們使用的變頻空調(diào)，就是利用IGBT裝置對電能進(jìn)行優(yōu)化控制， 使空調(diào)能更加智能、人性化地運行，還可節(jié)省30%左右的電能。冰 箱、洗衣機(jī)、電磁爐、電動汽車等設(shè)備中，同樣有IGBT的用武之地。

IGBT研發(fā)有多難?

IGBT作用大，應(yīng)用廣泛，但這一技術(shù)長期被極少數(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家所壟斷。早些年，我國所有機(jī)車車 輛用的IGBT模塊全部依賴國外進(jìn)口。每年，高鐵、城軌、風(fēng)電等產(chǎn)業(yè)，需要從國外采購數(shù)十億美元的 IGBT產(chǎn)品，采購周期長達(dá)數(shù)月甚至一年以上。“有些領(lǐng)域，國外根本就不賣”。

早在2006年，國家相關(guān)部委就將IGBT器件技術(shù)作為重大專項課題，集中進(jìn)行研發(fā)，但由于基礎(chǔ)落后、人才匱乏，進(jìn)展緩慢。IGBT技 術(shù)的落后，使得我國一些關(guān)鍵產(chǎn)業(yè) 發(fā)展一度受制于人。

南車株洲所總經(jīng)理、中國工程 院院士丁榮軍告訴記者，IGBT是知識和技術(shù)密集型產(chǎn)品，要研發(fā)、制 造出性能優(yōu)越且具有高可靠性的IGBT，要突破諸多設(shè)計、工藝等難點。

IGBT芯片中的“元胞”，其大小僅頭發(fā)絲十分之一大小，要將6萬個這樣的“元胞”，高度均勻地安置在一個指甲大小的芯片上，“元 胞”的均勻度，決定芯片功效的高低，“這遠(yuǎn)勝于在頭發(fā)絲上雕花， 其難度可想而知”。

IGBT芯片的制造，是一個物理作用與化學(xué)作用完美結(jié)合的過程。 前后共有200多道大大小小的工藝步驟，每個工藝步驟必須精準(zhǔn)到位，每項技術(shù)火候都必須拿捏得當(dāng)。否則，“失之毫厘，謬以千 里”，一個細(xì)小環(huán)節(jié)的差異，就可能導(dǎo)致整批芯片的報廢。

目前，中國已成為世界上 IGBT產(chǎn)品最大的消費市場，以高速動車組、大功率機(jī)車、新能源裝備、電網(wǎng)為龍頭的國內(nèi)變頻產(chǎn)業(yè)每 年IGBT需求量超過100億元，且每 年以15%以上的速度增長。

面對使命的召喚、現(xiàn)實的尷尬、市場的需求，憑借企業(yè)50多年大功率半導(dǎo)體器件研制的歷史積淀，南車株洲所毅然啟動對IGBT這一國家技術(shù)難題的自主攻關(guān)，打響一場“攻堅戰(zhàn)”。

研發(fā)出中國的IGBT有多重要?

“十一五”初期，南車株洲所在國內(nèi)率先啟動“高壓IGBT元件研制”項目。然而，想在短短幾年內(nèi)，完全依靠自身力量，獨立自主 研發(fā)掌握核心技術(shù)并推動IGBT技術(shù)產(chǎn)業(yè)化難度極大。南車株洲所智慧 地選擇了一條“捷徑”——實施“收購-整合-創(chuàng)新”戰(zhàn)略，通過全球性戰(zhàn)略布局，吸納國際優(yōu)勢研發(fā)資源，對IGBT技術(shù)進(jìn)行自主攻關(guān)。

2008年10月31日，南車株洲所下屬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(dǎo)體公司75%的股權(quán)，為中國南車實現(xiàn)IGBT技術(shù)的突破打開了一扇窗。

丹尼克斯半導(dǎo)體公司是世界知名的半導(dǎo)體公司，也是全球最早開發(fā)IGBT技術(shù)的廠家。被并購時，該公司擁4英寸IGBT芯片設(shè)計、制 造、模塊封裝的完整全套技術(shù)。 “采用資本運作的手段，改變了我國IGBT技術(shù)及產(chǎn)業(yè)長期受制于人的 局面。”行業(yè)專家、投資者給出高度評價。

為使丹尼克斯半導(dǎo)體公司已有的4英寸IGBT生產(chǎn)線生產(chǎn)出的產(chǎn)品適應(yīng)中國軌道交通的應(yīng)用，株洲所在此基礎(chǔ)上自主研發(fā)并組建了新的 6英寸IGBT生產(chǎn)線。

高層的關(guān)注和期望則為南車株洲所攻克國家難題注入了強(qiáng)大動 力。2009年6月，時任國務(wù)院總理溫家寶在視察中國南車株洲所時， 殷切寄語，一定要抓住軌道交通大發(fā)展的大好機(jī)遇，上規(guī)模、上水 平，勇克IGBT等國家技術(shù)難題，早日達(dá)到世界領(lǐng)先水平!

省委書記、省人大常委會主任 徐守盛、省長杜家毫等省領(lǐng)導(dǎo)，也 對IGBT研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化項目給予高度關(guān)注和大力支持。

為了更好地吸納全球，特別是歐洲頂尖技術(shù)和人才資源，加速 IGBT技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn) 程，2010年，公司在英國組建起功率半導(dǎo)體器件海外研發(fā)中心。

2012年，南車株洲所率先在國內(nèi)研制出3300伏高壓IGBT芯片， 從芯片到模塊，全部自主研制。它的成功研制，宣告了中國人在3300伏高壓等級的IGBT芯片研發(fā)領(lǐng)域有了一席之地。

更具市場意義的是，國際市場對中國的IGBT芯片價格應(yīng)聲下 跌：3300伏的IGBT芯片，其價格幾乎“腰斬”。

隨后，4500伏、6500伏等更高電壓等級的IGBT芯片相繼在南車株洲所研發(fā)成功，滿足了軌道交通、智能電網(wǎng)等高端應(yīng)用領(lǐng)域的需 要，并且實現(xiàn)IGBT制造技術(shù)從6英寸到8英寸的跨越。

IGBT產(chǎn)業(yè)前景有多大?

產(chǎn)品研發(fā)的活力在市場。為了 把擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的IGBT產(chǎn)品盡快推向市場，南車株洲所啟動大規(guī) 模產(chǎn)業(yè)化項目。

在攻克30多項關(guān)鍵核心技術(shù)后，南車株洲所擁有了從芯片設(shè) 計、封裝測試、可靠性試驗、系統(tǒng)應(yīng)用等全流程、完整的技術(shù)和工藝體系，具備了大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化條件。 成為國內(nèi)目前唯一一家全面掌握IGBT芯片技術(shù)研發(fā)、模塊封裝測試和系統(tǒng)應(yīng)用的企業(yè)。

新投產(chǎn)的IGBT產(chǎn)業(yè)化基地，具備年產(chǎn)12萬片8英寸IGBT芯片和 100萬只IGBT模塊的能力，年產(chǎn)值有望超過20億元，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模和技術(shù)實力均達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

據(jù)介紹，南車株洲所在現(xiàn)有8 英寸IGBT專業(yè)芯片生產(chǎn)線基礎(chǔ)上，還同時建設(shè)IGBT模塊生產(chǎn)線。產(chǎn)品電壓等級從650伏到6500伏，可滿足軌道交通以及電動汽車、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、智能電網(wǎng)、高壓 變頻、工業(yè)傳動等多個行業(yè)需求， 致力打造我國首個完全依靠自主能力建設(shè)、產(chǎn)能規(guī)模最大、技術(shù)實力 最強(qiáng)、產(chǎn)品型號最全的大功率 IGBT產(chǎn)業(yè)化基地。

產(chǎn)業(yè)還將繼續(xù)拓展。南車株洲所與中國科學(xué)院微電子研究所聯(lián)合，組建新型電力電子器件研發(fā)中心，開展以碳化硅為基礎(chǔ)材料的新型電力電子器件技術(shù)與產(chǎn)業(yè)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(nèi)其他單位及 相關(guān)科研院所一道，開展“碳化硅電力電子器件集成制造技術(shù)研發(fā)與 產(chǎn)業(yè)化”、“6英寸碳化硅單晶材料研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化及其在大功率IGBT等 器件中的應(yīng)用”研究。

為放大產(chǎn)業(yè)規(guī)模效應(yīng)，南車株洲所正在牽頭策劃成立中國IGBT技 術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，謀劃整合國內(nèi) IGBT產(chǎn)業(yè)從材料到應(yīng)用的上下游優(yōu)勢資源，推動中國IGBT產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

中國IGBT產(chǎn)業(yè)航母，將在湖南揚帆起航!

相關(guān)鏈接：國際IGBT技術(shù)及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

IGBT技術(shù)要求高，掌握該技術(shù)的企業(yè)為數(shù)不多，產(chǎn)品的市場份額較為集中。目前，全球IGBT市場主 要為日本和歐美企業(yè)占據(jù)，中國國內(nèi)的IGBT需求主要依靠進(jìn)口或合資生產(chǎn)企業(yè)解決。

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，國際前4名的企業(yè)在IGBT市場合計占有超過75%的 份額，其中日本三菱電氣市場份額超過30%(在家電領(lǐng)域占有度高)， 德國英飛凌市場份額超過20%(在 工控領(lǐng)域占有度高)。