中国南车株洲所：用心打造中国“芯”

朱辉跃 王南

2014年6月20日，是一个不平凡的日子。

这一天，具有自主知识产权的国内首条、亦是全球第二条8英寸IGBT（中文全名为“绝缘栅双极型晶体管”）芯片线在株洲全面建成投入运行，首期预计实现年产12万片8英寸IGBT芯片，并配套生产100万只IGBT模块的能力。

这意味着，在高端IGBT系列技术上，真正有了中国“芯”。它的投产，对于保障国民经济安全、实现关键技术不受制于人具有重大战略意义，而该芯片的制造者，南车株洲电力机车研究所有限公司（以下简称中国南车株洲所）也因此成为世界上少数几家掌握IGBT成套技术及产业化能力的企业之一。

牵一发而动全身的芯片

IGBT是当今功率半导体器件技术最为复杂、应用最为广泛的器件，其作用和地位相当于计算机中的“CPU”，被誉为功率半导体技术中“皇冠上的明珠”，摘取这一明珠的过程折射出中国企业高端装备关键技术自主创新的艰辛历程。

在中国南车株洲所的8英寸IGBT研制现场，记者看到，在一块光碟大小的硅片上，整齐排列着128个指甲大小的芯片，这就是具有世界领先水平的8英寸IGBT芯片。

据该公司IGBT事业部总经理刘国友介绍，就是这样一块指甲大小，厚度仅为两根头发丝的芯片里，布满了超过5万个密密麻麻的称之“元胞”电路，它灵敏的控制着最高超过6500伏的大电压和超过1200安培的大电流，实现对电能有效转换和控制，为各种电力设备提供不同功率等级的电能。

“IGBT设计复杂，工艺复杂，任何一个电路的设计都是在微米级中完成，其难度无异于针尖上立麦芒。”刘国友介绍说。

从功能上来说，这种“能够在1秒钟完成100万次电流的关断和开启动作，实现电能快速转化”的芯片，确有着广泛的应用领域，在轨道交通、新能源、石油冶炼、船舶驱动、航空航天等战略性产业装备上无处不在，就连我们普通的家用变频空调、吸尘器，也可以看到它的身影，可以说，谁掌握了IGBT器件及应用技术，谁就掌握了功率半导体器件市场的话语权。

目前，中国已成为世界上IGBT产品最大的消费市场，以高速动车组、大功率机车、新能源装备、电网为龙头的国内变频产业每年IGBT需求量超过100亿元以上，且每年以15%以上的速度增长，随着国家产业结构转型和升级，以及战略性新兴产业的发展，IGBT的应用空间十分可观。

中国工程院院士、中国南车株洲所总经理丁荣军表示，初步估算，如果将IGBT等电力电子技术应用到中国20%的电机中，可以使其电能使用效率提高15%—30%，每年可节约用电2000亿千瓦时，相当于两个三峡电站的年发电量。

然而，一个尴尬的事实困扰着人们，由于底子薄弱，基础研发水平落后，中国在IGBT技术特别是其中关键的芯片技术上长期处于落后水平，以轨道交通为例，早些年中国几乎所有的机车车辆的IGBT模块都依赖进口，特别是在高等级的IGBT器件上，更没有中国企业的一席之地，即使作为中国牵引电传动技术的领军企业，中国南车株洲所也依然每年花费数亿元从国外采购IGBT产品。

使命的召唤、市场的需求，设计中国人自己的IGBT，成为包括中国南车株洲所在内的民族企业的夙愿。

50年深厚积淀

技术创新的路径很多，是什么秘诀让中国南车株洲所在IGBT技术攻关上一路领先？

众所周知，中国南车株洲所是中国轨道交通牵引电传动系统集成技术及产业的领军者，该公司先后主持开发了牵引电传动系统，装备应用到国内高速动车组、大功率交流传动电力机车、内燃机车和城市轨道车辆，占据国内自主品牌近70%的市场份额。

作为牵引电传动系统中的关键器件，功率半导体技术是整个系统技术的重要一环，长期以来，中国南车株洲所走在国内前列，具有深厚的历史积淀。

1964年，中国南车株洲所首次将功率半导体器件技术运用在国产化的“韶山”电力机车上。同一年，该公司开始试制整流二极管并取得成功，揭开了公司功率半导体技术及产业化的序幕。

上世纪80年代中期，该公司通过技术引进和自主研发，在功率半导体晶闸管技术上率先发力，经过20多年的努力，先后开发出多个尺寸、多种功率等级的晶闸管产品，打破国外在此项技术的垄断。

2000年，中国南车株洲所建成了国内第一条具有自主知识产权的4英寸全压接器件生产线。

2006年，又成功研制出世界第一只6英寸晶闸管，极大增强了国家推动特高压直流输电项目国产化的信心。

2009年，公司投入3.5亿元建设的 5至6英寸全压接高压大电流器件厂房投产。

数十年来，通过自主开发和技术引进相结合，中国南车株洲所功率半导体技术不断提升，为该公司在先进的功率半导体器件——IGBT技术的突破奠定了坚实的技术底蕴和人才储备。

组合拳带来的巨大效应

“十一五”（2006—2010年）以来，随着国家对IGBT等战略性关键技术的认识越来越深刻，以及中国高端装备产业发展的客观需求，在国家发改委、科技部、工信部、原铁道部等国家部委的支持下，中国南车株洲所又率先启动“高压IGBT元件研制”项目。

然而，要想在短短几年内，完全依靠自身力量，独立自主研发掌握IGBT全套技术，快速实现其产业化谈何容易。

中国南车株洲所选择了一条“捷径”——实施“收购-整合-创新”战略，通过全球性战略布局，吸纳国际优势研发资源，对IGBT技术进行攻关。

2008年，在全球金融危机阴云笼罩下，中国南车株洲所下属的时代电气公司渡过英吉利海峡，并购世界著名半导体公司丹尼克斯，一时间在业内引起巨大反响。

丹尼克斯公司是世界上少数的集设计、研发和制造能力于一体的独立的电力电子器件制造商之一，其拥有一条4英寸IGBT芯片设计、制造、模块封装的完整全套技术，但由于缺乏应用平台的支持和后续资金的投入，其IGBT技术及产业没有真正实现规模效应，落后于其它先进公司，而这恰恰是中国南车株洲所的优势所在。双方的“联姻”，完全做到了优势互补，产生了强大的协同效应。

并购后，中国南车株洲所打了一套组合拳：2010年注资一个多亿将丹尼克斯原有4英寸线升级到世界主流6英寸线；2011年，中国南车株洲所又投资近1个亿，在英国成立中国首个功率半导体技术海外研发中心，利用西欧先进的人才和技术资源，开展IGBT技术的研制，该研发中心成为中国南车株洲所后来突破8英寸IGBT的重要平台。

同时，该公司在株洲加快了IGBT技术及产业化的步伐，2009年，率先在国内建立第一条TGBT模块封装线；随后2011年，又大手笔一次性投资15个亿，启动我国第一条8英寸IGBT芯片生产线的建设。

这一系列举措，使得中国南车株洲所的技术得到了全面提升，大大缩小了与世界先进企业的差距。

经过6年多的努力，中国南车株洲所在攻克30多项关键核心技术后，全面拥有了从芯片设计、封装测试、可靠性试验、系统应用等全流程、完整的技术和工艺体系，具备了大规模产业化条件，成为国内目前唯一一家全面掌握IGBT芯片技术研发、模块封装测试和系统应用的企业。

不断扩大的产业规模

“在全球化范围内，8英寸IGBT技术的突破，宣告中国南车株洲所进入IGBT的第一梯队。”刘国友告诉记者。

但这仅仅是“万里长征走完了第一步”，中国南车株洲所在现有8英寸IGBT专业芯片生产线基础上，还同时建设IGBT模块生产线。加快产品系列化、标准化、模块化的开发力度，可满足国内轨道交通、电动汽车、风力发电、太阳能发电、智能电网、高压变频、工业传动等多个行业需求，致力打造中国首个完全依靠自主能力建设、产能规模最大、技术实力最强、产品型号最全的大功率IGBT产业化基地。刘国友解释到。

同时，为进一步巩固技术优势，中国南车株洲所正在牵头策划成立中国IGBT技术创新与产业联盟，谋划整合国内IGBT产业从材料到应用的上下游优势资源，推动中国IGBT产业发展。

创新的脚步还在继续，2011年，中国南车株洲所与中国科学院微电子研究所联合，组建新型电力电子器件联合研发中心，开展以碳化硅为基础材料的新型电力电子器件技术与产业化的研究，目前，中心已成功研制出样品，并组合封装成混合型IGBT模块。该公司还将与国内其他单位及相关科研院所一道，开展“碳化硅电力电子器件集成制造技术研发与产业化”、“6英寸碳化硅单晶材料研发与产业化及其在大功率IGBT等器件中的应用”研究。