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「中國芯」是怎樣煉成的

「中國芯」是怎樣煉成的

從併購到整合,到再創新,中車株洲所在被譽為電力電子裝置「CPU」的IGBT領域,成功打破歐美、日本等製造強國的長期壟斷,從一片空白躍居世界一流——

「不能總是追趕別人,我們要超越」

高鐵馳騁,橫貫東西,離不開一個關鍵器件:IGBT,中文名為絕緣柵雙極型晶體管。形象地說,IGBT就是一個控制電能的非常厲害的高級開關。

在為機車提供持續動力的牽引電傳動系統中,有一塊巴掌大小的IGBT模塊,它把控著機車自動控制和功率變換的「命脈」。

7月7日,記者來到中車株洲電力機車研究所有限公司(簡稱「中車株洲所」),近距離接觸這項被譽為「皇冠上的明珠」的軌道交通關鍵技術。

「這就是用在高鐵上的8英寸IGBT晶元,由我們自主研發,擁有完全知識產權。」中車株洲所下屬的中車時代電氣股份有限公司半導體事業部副主任潘昭海自豪地說。

只見一個直徑20厘米左右的圓盤上,排列著一個個指甲蓋大小的晶元。在肉眼看不到的晶元內部,5萬個被稱作「元胞」的電子單元,讓電流能夠在百萬分之一秒的時間內實現快速轉換,從而獲得牽引整列高速動車組前行的穩定電力。

中車株洲所的8英寸IGBT晶元生產線,為國內首條、世界第二條,具備年產12萬片晶元、100萬隻模塊的產能,徹底打破了高端IGBT晶元技術被國外壟斷數十年的局面。

鮮為人知的是,這條8英寸IGBT晶元生產線來之不易。

2006年,中車株洲所開始謀划IGBT技術的研究與產品的突破。國家也將IGBT器件技術作為重大專項課題,加大研發力度,但進展緩慢。

2007年,機會來了。英國丹尼克斯半導體公司是世界上最早進行IGBT技術研發的廠家,因為金融危機陷入困境。2008年10月31日,中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;隨後,投入巨資,將丹尼克斯的4英寸IGBT生產線升級為6英寸生產線。

併購丹尼克斯,目的是實現IGBT的自主國產化。此時,中車株洲所內部出現了兩種不同的聲音:一種堅持原封不動地將丹尼克斯6英寸IGBT生產線複製到國內,儘快實現產業化;一種則認為應該升級技術,建設一條比丹尼克斯基地更為先進的8英寸IGBT生產線。

「大部分人都認為建設8英寸IGBT生產線的風險很大,主張原封不動地將6英寸生產線搬過來。」中車時代電氣股份有限公司副總工程師劉國友說。

「不能總是追趕別人,我們要超越。」工程院院士、中車株洲電力機車研究所有限公司黨委書記、董事長丁榮軍力排眾議,提出基於丹尼克斯的技術,應該充分吸收IGBT的創新發展成果,果斷拍板建設8英寸IGBT生產線。

從一片空白到世界一流,創新之路越走越寬

從6英寸到8英寸,當時在全球範圍內都是歷史性的跨越,中車株洲所沒有現成的技術、經驗可供複製、借鑒,只有艱難的摸索。

走技術引進與合作之路,中車株洲所在英國成立功率半導體研發中心,同時派出國內技術人員,集中開發新一代IGBT晶元技術、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。

「通過吸收、消化、再轉化,用時6年逐步完成了8英寸生產線的設計與建設。」中車時代電氣股份有限公司半導體事業部副主任潘昭海回憶,每次工藝提出需求,設備部門進行單機採購,採購回來後進行短流程實驗,短流程再慢慢串聯成長流程,反覆實驗,不斷經歷失敗與取捨,才一步步走向生產線的全線拉通,並最終全面掌握從IGBT晶元、模塊、組件到應用的全套技術。

2014年6月,由中車株洲所自主研製的8英寸IGBT晶元成功下線。如今,高功率密度3300V、1700V等系列IGBT實現量產並在軌道交通領域批量應用,各項參數指標均達到國際先進水平。

「這些年來,我們已經完成從650伏特到6500伏特全譜系的IGBT晶元研發。」潘昭海介紹,工藝不斷提升,晶元尺寸越來越小,厚度越來越薄,加工精度也越來越高。其中,最薄的晶元僅80微米,比100微米厚度的普通列印紙還要薄。

目前,自主IGBT晶元已走出國門,出口印度、馬來西亞;在俄羅斯、義大利及中歐市場也有布局,取得了小批量訂單。

IGBT應用之路越走越寬。去年底,中車株洲所的IGBT模塊成功進入智能電網領域。今年,中車株洲所啟動技改項目,計劃建設年產50萬隻中低壓IGBT模塊封裝線,主要用於電動汽車領域。(記者 曹嫻 通訊員 胡小亮)

記者手記

勇於超越

曹嫻

在各種競技比賽中,有的選手可能在起步時沒有搶得先機,但只要掌握技巧,瞅準時機,巧妙發力,就有可能趁機超越其他選手。

IGBT技術積累薄弱,落後於國外,曾幾乎全部依賴進口,不僅要支付昂貴的價錢購買,還只能買成品,且產品交貨周期很長。

IGBT是國際上公認的電力電子技術第三次革命最具代表性的產品,對提升一個國家電力電子裝置技術水平和競爭力具有深遠意義。

這樣的核心關鍵技術,要想不被國外掣肘,就不能一味「跟跑」;要想佔領國際市場,就必須實現技術超越。

正是有這樣的認識高度和堅定決心,中車株洲所才會「冒險」選擇新建8英寸生產線,而非保守「複製」6英寸生產線,為的就是能夠一舉超越。

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