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2011年5月25日，一個(gè)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(chǎng)影響深遠(yuǎn)的產(chǎn)業(yè) 變革: 南車(chē)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(guò)去了，曾經(jīng)荒蕪的土地上矗立起一個(gè)具有國(guó)際先進(jìn)水平的研發(fā)、生產(chǎn)基地。2014年6月，中國(guó)首條8英寸IGBT專(zhuān)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(jí)的芯片領(lǐng)域，首次有了中國(guó)人自主研制的芯片，它的成功投產(chǎn)，標(biāo)志著我國(guó)功率半導(dǎo)體器件開(kāi)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?jī)?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(chē)株洲所IGBT產(chǎn)業(yè)化基地，眾多現(xiàn)代化的設(shè)施感覺(jué)這不是生產(chǎn)車(chē)間，更像是高標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。
一塊光碟大小的硅片上，整齊排列著128個(gè)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(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，還是一個(gè)陌生的名詞,她的中文全名為“絕緣柵雙極型晶體管”。南車(chē)株洲所IGBT事業(yè)部總經(jīng)理劉國(guó)友向記者解釋?zhuān)煌β实燃?jí)的IGBT芯片有不同的尺寸大小，一般來(lái)說(shuō)，功率等級(jí)越高，芯片的尺寸就會(huì)越大。以8英寸IGBT芯片來(lái)說(shuō)，它在一個(gè)直徑為20厘米的圓薄片上，排列有 128個(gè)芯片,每個(gè)芯片的大小大約3 平方厘米，相當(dāng)于一個(gè)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(jué)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(guó)友，這位在英國(guó)呆了6年專(zhuān)業(yè)研究IGBT芯片的專(zhuān)家比劃著告訴記者，從結(jié)構(gòu)上來(lái)講，在這樣一個(gè)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(wàn)個(gè)被稱(chēng)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(lái)說(shuō)，這種芯片，能夠在1秒鐘完成一百萬(wàn)次開(kāi)關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電流快速轉(zhuǎn)化。
通俗地說(shuō)，通過(guò)IGBT芯片的作用，可以對(duì)復(fù)雜、敏感的電壓或電流實(shí)現(xiàn)靈活控制。如果我們把無(wú)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(guò)控制閘門(mén)的開(kāi)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(mén)，通過(guò)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(shí)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(guó)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(shuō)是列車(chē)運(yùn)行的“心臟”。高鐵運(yùn)行中，要在短時(shí)間將時(shí)速?gòu)牧闾嵘?00公里以上，反之，也需要在極短的時(shí)間內(nèi)將正在高速運(yùn)行的列車(chē)平穩(wěn)停下來(lái)。這看似簡(jiǎn)單的加速、減速過(guò)程，相關(guān)傳動(dòng)設(shè)備、牽引變流器以及其他電動(dòng)設(shè)備，要在短暫的時(shí)間內(nèi)完成一系列復(fù)雜的高難度動(dòng)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(mǎn)足這一苛刻要求。在減速過(guò)程中，通過(guò)IGBT的作用，還可 以將列車(chē)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(yùn)行一個(gè)重要的前提是安全，但電力來(lái)源比較復(fù)雜，除了常規(guī)的水電、火電 外，風(fēng)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電以及個(gè)性化、分布式能源，越來(lái)越多的并入電網(wǎng)。正因?yàn)殡娏?lái)源的多樣 化，給電網(wǎng)安全、平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。特別是時(shí)有時(shí)無(wú)、時(shí)高時(shí)低的風(fēng)電，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的考驗(yàn)最為突出。要將這些來(lái)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(guó)防工業(yè)領(lǐng)域，同樣需要高等級(jí)的IGBT裝置。劉國(guó)友告訴記者， 國(guó)防裝備的特種供電電源、電力驅(qū) 動(dòng)、推進(jìn)、控制等，如艦船推進(jìn)系統(tǒng)、坦克動(dòng)力系統(tǒng)等，均需要 IGBT裝置才能滿(mǎn)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(shuō)，我們使用的變頻空調(diào)，就是利用IGBT裝置對(duì)電能進(jìn)行優(yōu)化控制， 使空調(diào)能更加智能、人性化地運(yùn)行，還可節(jié)省30%左右的電能。冰 箱、洗衣機(jī)、電磁爐、電動(dòng)汽車(chē)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(zhǎng)期被極少數(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家所壟斷。早些年，我國(guó)所有機(jī)車(chē)車(chē) 輛用的IGBT模塊全部依賴(lài)國(guó)外進(jìn)口。每年，高鐵、城軌、風(fēng)電等產(chǎn)業(yè)，需要從國(guó)外采購(gòu)數(shù)十億美元的 IGBT產(chǎn)品，采購(gòu)周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)月甚至一年以上。“有些領(lǐng)域，國(guó)外根本就不賣(mài)”。
早在2006年，國(guó)家相關(guān)部委就將IGBT器件技術(shù)作為重大專(zhuān)項(xiàng)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(guó)一些關(guān)鍵產(chǎn)業(yè) 發(fā)展一度受制于人。
南車(chē)株洲所總經(jīng)理、中國(guó)工程 院院士丁榮軍告訴記者，IGBT是知識(shí)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(jì)、工藝等難點(diǎn)。
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(wàn)個(gè)這樣的“元胞”，高度均勻地安置在一個(gè)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(gè)物理作用與化學(xué)作用完美結(jié)合的過(guò)程。 前后共有200多道大大小小的工藝步驟，每個(gè)工藝步驟必須精準(zhǔn)到位，每項(xiàng)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(gè)細(xì)小環(huán)節(jié)的差異，就可能導(dǎo)致整批芯片的報(bào)廢。
目前，中國(guó)已成為世界上 IGBT產(chǎn)品最大的消費(fèi)市場(chǎng)，以高速動(dòng)車(chē)組、大功率機(jī)車(chē)、新能源裝備、電網(wǎng)為龍頭的國(guó)內(nèi)變頻產(chǎn)業(yè)每 年IGBT需求量超過(guò)100億元，且每 年以15%以上的速度增長(zhǎng)。
面對(duì)使命的召喚、現(xiàn)實(shí)的尷尬、市場(chǎng)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(chē)株洲所毅然啟動(dòng)對(duì)IGBT這一國(guó)家技術(shù)難題的自主攻關(guān)，打響一場(chǎng)“攻堅(jiān)戰(zhàn)”。
研發(fā)出中國(guó)的IGBT有多重要?
“十一五”初期，南車(chē)株洲所在國(guó)內(nèi)率先啟動(dòng)“高壓IGBT元件研制”項(xiàng)目。然而，想在短短幾年內(nèi)，完全依靠自身力量，獨(dú)立自主 研發(fā)掌握核心技術(shù)并推動(dòng)IGBT技術(shù)產(chǎn)業(yè)化難度極大。南車(chē)株洲所智慧 地選擇了一條“捷徑”——實(shí)施“收購(gòu)-整合-創(chuàng)新”戰(zhàn)略，通過(guò)全球性戰(zhàn)略布局，吸納國(guó)際優(yōu)勢(shì)研發(fā)資源，對(duì)IGBT技術(shù)進(jìn)行自主攻關(guān)。
2008年10月31日，南車(chē)株洲所下屬株洲南車(chē)時(shí)代電氣股份有限 公司成功收購(gòu)英國(guó)丹尼克斯半導(dǎo)體公司75%的股權(quán)，為中國(guó)南車(chē)實(shí)現(xiàn)IGBT技術(shù)的突破打開(kāi)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(kāi)發(fā)IGBT技術(shù)的廠家。被并購(gòu)時(shí)，該公司擁4英寸IGBT芯片設(shè)計(jì)、制 造、模塊封裝的完整全套技術(shù)。 “采用資本運(yùn)作的手段，改變了我國(guó)IGBT技術(shù)及產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期受制于人的 局面。”行業(yè)專(zhuān)家、投資者給出高度評(píng)價(jià)。
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(guó)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(chē)株洲所攻克國(guó)家難題注入了強(qiáng)大動(dòng) 力。2009年6月，時(shí)任國(guó)務(wù)院總理溫家寶在視察中國(guó)南車(chē)株洲所時(shí)， 殷切寄語(yǔ)，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(guó)家技術(shù)難題，早日達(dá)到世界領(lǐng)先水平!
省委書(shū)記、省人大常委會(huì)主任 徐守盛、省長(zhǎng)杜家毫等省領(lǐng)導(dǎo)，也 對(duì)IGBT研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)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(guó)組建起功率半導(dǎo)體器件海外研發(fā)中心。
2012年，南車(chē)株洲所率先在國(guó)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(guó)人在3300伏高壓等級(jí)的IGBT芯片研發(fā)領(lǐng)域有了一席之地。
更具市場(chǎng)意義的是，國(guó)際市場(chǎng)對(duì)中國(guó)的IGBT芯片價(jià)格應(yīng)聲下 跌：3300伏的IGBT芯片，其價(jià)格幾乎“腰斬”。
隨后，4500伏、6500伏等更高電壓等級(jí)的IGBT芯片相繼在南車(chē)株洲所研發(fā)成功，滿(mǎn)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(shí)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(chǎng)。為了 把擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的IGBT產(chǎn)品盡快推向市場(chǎng)，南車(chē)株洲所啟動(dòng)大規(guī) 模產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。
在攻克30多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)后，南車(chē)株洲所擁有了從芯片設(shè) 計(jì)、封裝測(cè)試、可靠性試驗(yàn)、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(guó)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(cè)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(wàn)片8英寸IGBT芯片和 100萬(wàn)只IGBT模塊的能力，年產(chǎn)值有望超過(guò)20億元，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模和技術(shù)實(shí)力均達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
據(jù)介紹，南車(chē)株洲所在現(xiàn)有8 英寸IGBT專(zhuān)業(yè)芯片生產(chǎn)線基礎(chǔ)上，還同時(shí)建設(shè)IGBT模塊生產(chǎn)線。產(chǎn)品電壓等級(jí)從650伏到6500伏，可滿(mǎn)足軌道交通以及電動(dòng)汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、智能電網(wǎng)、高壓 變頻、工業(yè)傳動(dòng)等多個(gè)行業(yè)需求， 致力打造我國(guó)首個(gè)完全依靠自主能力建設(shè)、產(chǎn)能規(guī)模最大、技術(shù)實(shí)力 最強(qiáng)、產(chǎn)品型號(hào)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(chē)株洲所與中國(guó)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(kāi)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(guó)內(nèi)其他單位及 相關(guān)科研院所一道，開(kāi)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(chē)株洲所正在牽頭策劃成立中國(guó)IGBT技 術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，謀劃整合國(guó)內(nèi) IGBT產(chǎn)業(yè)從材料到應(yīng)用的上下游優(yōu)勢(shì)資源，推動(dòng)中國(guó)IGBT產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
中國(guó)IGBT產(chǎn)業(yè)航母，將在湖南揚(yáng)帆起航!
相關(guān)鏈接：國(guó)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(chǎng)份額較為集中。目前，全球IGBT市場(chǎng)主 要為日本和歐美企業(yè)占據(jù)，中國(guó)國(guó)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(jì)，國(guó)際前4名的企業(yè)在IGBT市場(chǎng)合計(jì)占有超過(guò)75%的 份額，其中日本三菱電氣市場(chǎng)份額超過(guò)30%(在家電領(lǐng)域占有度高)， 德國(guó)英飛凌市場(chǎng)份額超過(guò)20%(在 工控領(lǐng)域占有度高)。
這一天，在工業(yè)重鎮(zhèn)株洲田心，卻孕育著一場(chǎng)影響深遠(yuǎn)的產(chǎn)業(yè) 變革: 南車(chē)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(guò)去了，曾經(jīng)荒蕪的土地上矗立起一個(gè)具有國(guó)際先進(jìn)水平的研發(fā)、生產(chǎn)基地。2014年6月，中國(guó)首條8英寸IGBT專(zhuān)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(jí)的芯片領(lǐng)域，首次有了中國(guó)人自主研制的芯片，它的成功投產(chǎn)，標(biāo)志著我國(guó)功率半導(dǎo)體器件開(kāi)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?jī)?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(chē)株洲所IGBT產(chǎn)業(yè)化基地，眾多現(xiàn)代化的設(shè)施感覺(jué)這不是生產(chǎn)車(chē)間，更像是高標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。
一塊光碟大小的硅片上，整齊排列著128個(gè)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(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，還是一個(gè)陌生的名詞,她的中文全名為“絕緣柵雙極型晶體管”。南車(chē)株洲所IGBT事業(yè)部總經(jīng)理劉國(guó)友向記者解釋?zhuān)煌β实燃?jí)的IGBT芯片有不同的尺寸大小，一般來(lái)說(shuō)，功率等級(jí)越高，芯片的尺寸就會(huì)越大。以8英寸IGBT芯片來(lái)說(shuō)，它在一個(gè)直徑為20厘米的圓薄片上，排列有 128個(gè)芯片,每個(gè)芯片的大小大約3 平方厘米，相當(dāng)于一個(gè)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(jué)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(guó)友，這位在英國(guó)呆了6年專(zhuān)業(yè)研究IGBT芯片的專(zhuān)家比劃著告訴記者，從結(jié)構(gòu)上來(lái)講，在這樣一個(gè)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(wàn)個(gè)被稱(chēng)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(lái)說(shuō)，這種芯片，能夠在1秒鐘完成一百萬(wàn)次開(kāi)關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電流快速轉(zhuǎn)化。
通俗地說(shuō)，通過(guò)IGBT芯片的作用，可以對(duì)復(fù)雜、敏感的電壓或電流實(shí)現(xiàn)靈活控制。如果我們把無(wú)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(guò)控制閘門(mén)的開(kāi)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(mén)，通過(guò)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(shí)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(guó)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(shuō)是列車(chē)運(yùn)行的“心臟”。高鐵運(yùn)行中，要在短時(shí)間將時(shí)速?gòu)牧闾嵘?00公里以上，反之，也需要在極短的時(shí)間內(nèi)將正在高速運(yùn)行的列車(chē)平穩(wěn)停下來(lái)。這看似簡(jiǎn)單的加速、減速過(guò)程，相關(guān)傳動(dòng)設(shè)備、牽引變流器以及其他電動(dòng)設(shè)備，要在短暫的時(shí)間內(nèi)完成一系列復(fù)雜的高難度動(dòng)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(mǎn)足這一苛刻要求。在減速過(guò)程中，通過(guò)IGBT的作用，還可 以將列車(chē)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(yùn)行一個(gè)重要的前提是安全，但電力來(lái)源比較復(fù)雜，除了常規(guī)的水電、火電 外，風(fēng)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電以及個(gè)性化、分布式能源，越來(lái)越多的并入電網(wǎng)。正因?yàn)殡娏?lái)源的多樣 化，給電網(wǎng)安全、平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。特別是時(shí)有時(shí)無(wú)、時(shí)高時(shí)低的風(fēng)電，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的考驗(yàn)最為突出。要將這些來(lái)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(guó)防工業(yè)領(lǐng)域，同樣需要高等級(jí)的IGBT裝置。劉國(guó)友告訴記者， 國(guó)防裝備的特種供電電源、電力驅(qū) 動(dòng)、推進(jìn)、控制等，如艦船推進(jìn)系統(tǒng)、坦克動(dòng)力系統(tǒng)等，均需要 IGBT裝置才能滿(mǎn)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(shuō)，我們使用的變頻空調(diào)，就是利用IGBT裝置對(duì)電能進(jìn)行優(yōu)化控制， 使空調(diào)能更加智能、人性化地運(yùn)行，還可節(jié)省30%左右的電能。冰 箱、洗衣機(jī)、電磁爐、電動(dòng)汽車(chē)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(zhǎng)期被極少數(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家所壟斷。早些年，我國(guó)所有機(jī)車(chē)車(chē) 輛用的IGBT模塊全部依賴(lài)國(guó)外進(jìn)口。每年，高鐵、城軌、風(fēng)電等產(chǎn)業(yè)，需要從國(guó)外采購(gòu)數(shù)十億美元的 IGBT產(chǎn)品，采購(gòu)周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)月甚至一年以上。“有些領(lǐng)域，國(guó)外根本就不賣(mài)”。
早在2006年，國(guó)家相關(guān)部委就將IGBT器件技術(shù)作為重大專(zhuān)項(xiàng)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(guó)一些關(guān)鍵產(chǎn)業(yè) 發(fā)展一度受制于人。
南車(chē)株洲所總經(jīng)理、中國(guó)工程 院院士丁榮軍告訴記者，IGBT是知識(shí)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(jì)、工藝等難點(diǎn)。
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(wàn)個(gè)這樣的“元胞”，高度均勻地安置在一個(gè)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(gè)物理作用與化學(xué)作用完美結(jié)合的過(guò)程。 前后共有200多道大大小小的工藝步驟，每個(gè)工藝步驟必須精準(zhǔn)到位，每項(xiàng)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(gè)細(xì)小環(huán)節(jié)的差異，就可能導(dǎo)致整批芯片的報(bào)廢。
目前，中國(guó)已成為世界上 IGBT產(chǎn)品最大的消費(fèi)市場(chǎng)，以高速動(dòng)車(chē)組、大功率機(jī)車(chē)、新能源裝備、電網(wǎng)為龍頭的國(guó)內(nèi)變頻產(chǎn)業(yè)每 年IGBT需求量超過(guò)100億元，且每 年以15%以上的速度增長(zhǎng)。
面對(duì)使命的召喚、現(xiàn)實(shí)的尷尬、市場(chǎng)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(chē)株洲所毅然啟動(dòng)對(duì)IGBT這一國(guó)家技術(shù)難題的自主攻關(guān)，打響一場(chǎng)“攻堅(jiān)戰(zhàn)”。
研發(fā)出中國(guó)的IGBT有多重要?
“十一五”初期，南車(chē)株洲所在國(guó)內(nèi)率先啟動(dòng)“高壓IGBT元件研制”項(xiàng)目。然而，想在短短幾年內(nèi)，完全依靠自身力量，獨(dú)立自主 研發(fā)掌握核心技術(shù)并推動(dòng)IGBT技術(shù)產(chǎn)業(yè)化難度極大。南車(chē)株洲所智慧 地選擇了一條“捷徑”——實(shí)施“收購(gòu)-整合-創(chuàng)新”戰(zhàn)略，通過(guò)全球性戰(zhàn)略布局，吸納國(guó)際優(yōu)勢(shì)研發(fā)資源，對(duì)IGBT技術(shù)進(jìn)行自主攻關(guān)。
2008年10月31日，南車(chē)株洲所下屬株洲南車(chē)時(shí)代電氣股份有限 公司成功收購(gòu)英國(guó)丹尼克斯半導(dǎo)體公司75%的股權(quán)，為中國(guó)南車(chē)實(shí)現(xiàn)IGBT技術(shù)的突破打開(kāi)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(kāi)發(fā)IGBT技術(shù)的廠家。被并購(gòu)時(shí)，該公司擁4英寸IGBT芯片設(shè)計(jì)、制 造、模塊封裝的完整全套技術(shù)。 “采用資本運(yùn)作的手段，改變了我國(guó)IGBT技術(shù)及產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期受制于人的 局面。”行業(yè)專(zhuān)家、投資者給出高度評(píng)價(jià)。
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(guó)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(chē)株洲所攻克國(guó)家難題注入了強(qiáng)大動(dòng) 力。2009年6月，時(shí)任國(guó)務(wù)院總理溫家寶在視察中國(guó)南車(chē)株洲所時(shí)， 殷切寄語(yǔ)，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(guó)家技術(shù)難題，早日達(dá)到世界領(lǐng)先水平!
省委書(shū)記、省人大常委會(huì)主任 徐守盛、省長(zhǎng)杜家毫等省領(lǐng)導(dǎo)，也 對(duì)IGBT研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)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(guó)組建起功率半導(dǎo)體器件海外研發(fā)中心。
2012年，南車(chē)株洲所率先在國(guó)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(guó)人在3300伏高壓等級(jí)的IGBT芯片研發(fā)領(lǐng)域有了一席之地。
更具市場(chǎng)意義的是，國(guó)際市場(chǎng)對(duì)中國(guó)的IGBT芯片價(jià)格應(yīng)聲下 跌：3300伏的IGBT芯片，其價(jià)格幾乎“腰斬”。
隨后，4500伏、6500伏等更高電壓等級(jí)的IGBT芯片相繼在南車(chē)株洲所研發(fā)成功，滿(mǎn)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(shí)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(chǎng)。為了 把擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的IGBT產(chǎn)品盡快推向市場(chǎng)，南車(chē)株洲所啟動(dòng)大規(guī) 模產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。
在攻克30多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)后，南車(chē)株洲所擁有了從芯片設(shè) 計(jì)、封裝測(cè)試、可靠性試驗(yàn)、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(guó)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(cè)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(wàn)片8英寸IGBT芯片和 100萬(wàn)只IGBT模塊的能力，年產(chǎn)值有望超過(guò)20億元，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模和技術(shù)實(shí)力均達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
據(jù)介紹，南車(chē)株洲所在現(xiàn)有8 英寸IGBT專(zhuān)業(yè)芯片生產(chǎn)線基礎(chǔ)上，還同時(shí)建設(shè)IGBT模塊生產(chǎn)線。產(chǎn)品電壓等級(jí)從650伏到6500伏，可滿(mǎn)足軌道交通以及電動(dòng)汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、智能電網(wǎng)、高壓 變頻、工業(yè)傳動(dòng)等多個(gè)行業(yè)需求， 致力打造我國(guó)首個(gè)完全依靠自主能力建設(shè)、產(chǎn)能規(guī)模最大、技術(shù)實(shí)力 最強(qiáng)、產(chǎn)品型號(hào)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(chē)株洲所與中國(guó)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(kāi)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(guó)內(nèi)其他單位及 相關(guān)科研院所一道，開(kāi)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(chē)株洲所正在牽頭策劃成立中國(guó)IGBT技 術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，謀劃整合國(guó)內(nèi) IGBT產(chǎn)業(yè)從材料到應(yīng)用的上下游優(yōu)勢(shì)資源，推動(dòng)中國(guó)IGBT產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
中國(guó)IGBT產(chǎn)業(yè)航母，將在湖南揚(yáng)帆起航!
相關(guān)鏈接：國(guó)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(chǎng)份額較為集中。目前，全球IGBT市場(chǎng)主 要為日本和歐美企業(yè)占據(jù)，中國(guó)國(guó)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(jì)，國(guó)際前4名的企業(yè)在IGBT市場(chǎng)合計(jì)占有超過(guò)75%的 份額，其中日本三菱電氣市場(chǎng)份額超過(guò)30%(在家電領(lǐng)域占有度高)， 德國(guó)英飛凌市場(chǎng)份額超過(guò)20%(在 工控領(lǐng)域占有度高)。
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