高鐵跳動“中國芯”

文/鄒太平

一段時期以來，自主芯片的研發和制造牽動著國人的心。如何打破國外技術壟斷、實現自主突圍，是中國制造創新發展必須面對的難關。

就在前不久，軌道交通領域傳來喜訊——具有中國血統的大功率IGBT芯片，再度獲得印度訂單，將用在105臺印度機車上，總量超過1000只。

IGBT即絕緣柵雙極晶體管，是能源變換與傳輸的核心器件，俗稱電力電子裝置的“CPU”（中央處理器）。中國自主研發的IGBT芯片，不僅成功應用在中國標準動車組“復興號”上，還多次走出國門，出口印度、馬來西亞等國家。

迎著初夏的驕陽，記者來到位于湖南省株洲市的中車株洲電力機車研究所有限公司（以下簡稱“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。

打破國外壟斷局面

“這就是用在中國高鐵上的8英寸IGBT芯片，由我們自主研發，擁有完全知識產權。”中車株洲所下屬的株洲中車時代電氣股份有限公司（以下簡稱“中車時代電氣”）半導體事業部副主任潘昭海自豪地告訴記者。

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芯片。在肉眼看不到的芯片內部，5萬個被稱作“元胞”的電子單元，能讓電流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芯片生產線，為國內首條、世界第二條，具備年產12萬片芯片、100萬只模塊的產能，徹底打破了高端IGBT芯片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芯片生產線的背后歷經波折。

過去，我國機車用IGBT模塊都要從德國、日本進口。據相關研發負責人回憶，2008年，一個模塊進口價格超過1萬元，而且只能買成品，產品交貨周期很長。國內一年僅進口IGBT模塊就要12億元。

2007年，國家有關部委將IGBT器件技術作為我國重大專項課題，投入巨資研發IGBT芯片、模塊封裝及應用測試技術，但進展緩慢。作為中國軌道交通關鍵部件裝備的核心力量，中車株洲所經過50多年的努力，掌握了雙極器件技術，但對于半導體行業更為先進的IGBT器件技術，還是一片空白。

機會出現在2008年。世界上最早進行IGBT研發廠家之一的英國丹尼克斯半導體公司，因為金融危機陷入困境。中車株洲所成功收購丹尼克斯75%的股權，并投入巨資將丹尼克斯原有的4英寸IGBT芯片生產線升級為6英寸生產線。

并購丹尼克斯，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6英寸IGBT芯片生產線，盡快實現產業化；另一種則認為，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。

“不能總是追趕別人，我們要超越。”中國工程院院士、中車株洲所董事長丁榮軍當時力排眾議，提出應該充分吸收IGBT的創新發展成果，果斷拍板建設8英寸生產線。

創新之路越走越寬

從6英寸到8英寸，當時在全球IGBT行業都是歷史性跨越，中車株洲所沒有現成的技術和經驗可供復制、借鑒，只有艱難的摸索。

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赴英，集中開發新一代IGBT芯片技術、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，我們用6年逐步完成了8英寸生產線的設計與建設。”潘昭海回憶，每次工藝提出需求，設備部門進行單機采購后反復試驗，不斷經歷失敗與取舍，才一步步走向生產線的全線拉通，并最終全面掌握從IGBT芯片、模塊、組件到應用的全套技術。

2013年12月27日，來自中國科學院、中國工程院的4位院士及10余位國內知名專家齊聚中車株洲所。一塊指甲大小的銀白色芯片，引發陣陣驚嘆。

這是中國企業自主研制的第一款國內最大電壓等級、最高功率密度的6500伏高壓IGBT芯片。該成果總體技術處于國際領先水平、填補國內行業空白，實現了中國在高端IGBT技術領域與國際先進水平接軌，具有重大戰略意義。

每一列高鐵要用到3000至5000個IGBT芯片，鋪列開來有1平方米的面積，處理的是兆瓦級功率，一個芯片失效就會導致高鐵故障。“制造每個IGBT需要200多道工序，以確保高度的可靠性和穩定性。”中車株洲所半導體事業部副總經理羅海輝說，這些年，他們完成了從650伏到6500伏全譜系的IGBT芯片研發。隨著工藝不斷提升，芯片尺寸越來越小，厚度越來越薄。最薄的芯片僅80微米，比100微米厚度的普通打印紙還要薄。

如今，中車株洲所投資14億元建成國內第一個8英寸IGBT芯片生產基地，其生產的壓接型IGBT模塊已成功進入智能電網領域，用于電動汽車領域的中低壓IGBT模塊封裝線也已啟動。

與此同時，中車株洲所還與中國科學院微電子研究所共同開展以碳化硅為基礎材料的新型IGBT技術研發，已經成功研制出芯片樣品，構建了封裝模型。

中國“智造”走向世界

近幾年，中國中車飛速發展，不僅滿足了國內高鐵建設的龐大需求，更作為中國民族工業的一張名片，走出國門服務全球。

在3000萬人口的馬來西亞，軌道交通需求以每年20%的速度增長。2015年10月，裝備有中車時代電氣8英寸IGBT芯片的中國出口東盟首個輕軌項目——馬來西亞安邦線輕軌投入運營，“中國芯”第一次走出了國門。

針對安邦線列車運營在人口稠密、線路坡度大、轉彎半徑小的特殊環境，中車株洲所技術專家還專門使用了國內自主研發的鉸接式轉向架技術，可使列車呈蛇形自由擺動平穩通過小彎道。

捷報頻傳。2016年11月，中車時代電氣的1700伏IGBT模塊憑借優良的產品性能成功中標印度機車市場，拿下了第一批100臺印度WAG-9機車的改造升級訂單。這是中國IGBT首次單獨批量在海外市場的突破。

此前，印度機車變流器普遍采用功率半導體器件GTO型變流器，升級為中國IGBT模塊后的一年多時間里，裝車運行狀況良好。這也為今年3月中車時代電氣的再度中標奠定了基礎。

“今年再度中標的1000只1700伏IGBT模塊將供應給印度一家變流器生產廠家，主要用于105臺印度機車上。”潘昭海表示，中車時代電氣的IGBT產品目前在俄羅斯、意大利及中歐市場均有布局，先后取得了小批量訂單，逐步得到國際市場認可。

“‘一帶一路’倡議極大推動了企業國際化進程。”丁榮軍介紹，近幾年，通過加強合資合作、跨國并購、本土化投資等策略，中車株洲所正在全方位開拓國際市場，海外市場業務占到公司總業務的24%左右，產品已銷往30多個國家和地區。