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中车株洲所IGBT打破强国垄断 “中国芯”是怎样炼成的

湖南日报7月16日讯(记者 曹娴 通讯员 胡小亮)

 “不能总是追赶别人,我们要超越”

高铁驰骋,横贯东西,离不开一个关键器件:IGBT,中文名为绝缘栅双极型晶体管。形象地说,IGBT就是一个控制电能的非常厉害的高级开关。

在为机车提供持续动力的牵引电传动系统中,有一块巴掌大小的IGBT模块,它把控着机车自动控制和功率变换的“命脉”。

7月7日,记者来到中车株洲电力机车研究所有限公司(简称“中车株洲所”),近距离接触这项被誉为“皇冠上的明珠”的轨道交通关键技术。

“这就是用在中国高铁上的8英寸IGBT芯片,由我们自主研发,拥有完全知识产权。”中车株洲所下属的中车时代电气股份有限公司半导体事业部副主任潘昭海自豪地说。

只见一个直径20厘米左右的圆盘上,排列着一个个指甲盖大小的芯片。在肉眼看不到的芯片内部,5万个被称作“元胞”的电子单元,让电流能够在百万分之一秒的时间内实现快速转换,从而获得牵引整列高速动车组前行的稳定电力。

中车株洲所的8英寸IGBT芯片生产线,为国内首条、世界第二条,具备年产12万片芯片、100万只模块的产能,彻底打破了高端IGBT芯片技术被国外垄断数十年的局面。

鲜为人知的是,这条8英寸IGBT芯片生产线来之不易。

2006年,中车株洲所开始谋划IGBT技术的研究与产品的突破。国家也将IGBT器件技术作为重大专项课题,加大研发力度,但进展缓慢。

2007年,机会来了。英国丹尼克斯半导体公司是世界上最早进行IGBT技术研发的厂家,因为金融危机陷入困境。2008年10月31日,中车时代电气股份有限公司成功收购英国丹尼克斯半导体公司75%的股权;随后,投入巨资,将丹尼克斯的4英寸IGBT生产线升级为6英寸生产线。

并购丹尼克斯,目的是实现IGBT的自主国产化。此时,中车株洲所内部出现了两种不同的声音:一种坚持原封不动地将丹尼克斯6英寸IGBT生产线复制到国内,尽快实现产业化;一种则认为应该升级技术,建设一条比丹尼克斯基地更为先进的8英寸IGBT生产线。

“大部分人都认为建设8英寸IGBT生产线的风险很大,主张原封不动地将6英寸生产线搬过来。”中车时代电气股份有限公司副总工程师刘国友说。

“不能总是追赶别人,我们要超越。”中国工程院院士、中车株洲电力机车研究所有限公司党委书记、董事长丁荣军力排众议,提出基于丹尼克斯的技术,应该充分吸收IGBT的创新发展成果,果断拍板建设8英寸IGBT生产线。

 从一片空白到世界一流,创新之路越走越宽

从6英寸到8英寸,当时在全球范围内都是历史性的跨越,中车株洲所没有现成的技术、经验可供复制、借鉴,只有艰难的摸索。

走技术引进与合作之路,中车株洲所在英国成立功率半导体研发中心,同时派出国内技术人员,集中开发新一代IGBT芯片技术、新一代高功率密度IGBT模块技术和下一代碳化硅功率器件技术等前沿基础技术。

“通过吸收、消化、再转化,用时6年逐步完成了8英寸生产线的设计与建设。”中车时代电气股份有限公司半导体事业部副主任潘昭海回忆,每次工艺提出需求,设备部门进行单机采购,采购回来后进行短流程实验,短流程再慢慢串联成长流程,反复实验,不断经历失败与取舍,才一步步走向生产线的全线拉通,并最终全面掌握从IGBT芯片、模块、组件到应用的全套技术。

2014年6月,由中车株洲所自主研制的8英寸IGBT芯片成功下线。如今,高功率密度3300V、1700V等系列IGBT实现量产并在轨道交通领域批量应用,各项参数指标均达到国际先进水平。

“这些年来,我们已经完成从650伏特到6500伏特全谱系的IGBT芯片研发。”潘昭海介绍,工艺不断提升,芯片尺寸越来越小,厚度越来越薄,加工精度也越来越高。其中,最薄的芯片仅80微米,比100微米厚度的普通打印纸还要薄。

目前,自主IGBT芯片已走出国门,出口印度、马来西亚;在俄罗斯、意大利及中欧市场也有布局,取得了小批量订单。

IGBT应用之路越走越宽。去年底,中车株洲所的IGBT模块成功进入智能电网领域。今年,中车株洲所启动技改项目,计划建设年产50万只中低压IGBT模块封装线,主要用于电动汽车领域。

记者手记

勇于超越

曹娴

在各种竞技比赛中,有的选手可能在起步时没有抢得先机,但只要掌握技巧,瞅准时机,巧妙发力,就有可能趁机超越其他选手。

我国IGBT技术积累薄弱,落后于国外,曾几乎全部依赖进口,不仅要支付昂贵的价钱购买,还只能买成品,且产品交货周期很长。

IGBT是国际上公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品,对提升一个国家电力电子装置技术水平和竞争力具有深远意义。

这样的核心关键技术,要想不被国外掣肘,就不能一味“跟跑”;要想占领国际市场,就必须实现技术超越。

正是有这样的认识高度和坚定决心,中车株洲所才会“冒险”选择新建8英寸生产线,而非保守“复制”6英寸生产线,为的就是能够一举超越。

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责任编辑:易楚曈
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