劉國友：攻克“卡脖子”難題引領大功率半導體技術進擊

文 / 龐貝 鄭聲宇

2023年伊始，有消息傳出，美國將對華為實施全面封鎖，徹底斷絕美供應商向華為提供任何產品。無論這一消息是否空穴來風，都顯現出我國在芯片領域仍處弱勢地位。

但在IGBT（絕緣柵雙極晶體管）領域，有分析指出，國內在芯片設計、晶圓制造、模塊封裝等整個產業鏈基本都已有布局。整體來看，中國IGBT產業鏈正逐步具備國產替代能力。

劉國友，中車科學家，新型功率半導體器件國家重點實驗室常務副主任，長期從事功率半導體基礎研究、前沿技術探索、關鍵技術攻關、產業化與工程應用，主持研制了首只6英寸特高壓直流輸電晶閘管；率先突破了高鐵IGBT芯片關鍵技術，引領8英寸高壓IGBT芯片產業化；主持研制了全球最大容量600A/4500V IGBT芯片、最高功率密度3600A/4500V壓接封裝IGBT模塊。在高壓IGBT、超大功率晶閘管和SiC等 “卡脖子”芯片技術領域實現自立自強，支撐了高鐵、高壓直流輸電和新能源等高端裝備技術創新與自主可控，并拓展到“雙碳”目標下能源與交通等廣泛應用領域。

以下，我們以劉國友團隊作為創新樣本，來回顧國產大功率半導體技術進擊之路。

突破6英寸高壓晶閘管支撐特高壓技術晉級

21世紀，我國步入經濟發展快車道，能源的區域分布不平衡問題日益突出。我國雖然幅員遼闊，但76%的煤炭資源在北部和西北部，80%的水能資源在西南部，而70%以上的能源需求則在中東部。為了協調這種時空上的不平衡，解決電力長距離、跨地區傳輸問題，我國大力發展特高壓工程。可喜的是，經過國家多年的鼓勵與扶植，在全行業的共同努力下，我國特高壓輸電水平已達世界領先地位。

所謂“全行業”，當然不單指電力人，這其中還有芯片人的不懈奮斗。

2005年底國家電網帶著任務找到了株洲電力機車研究所（以下簡稱“株洲所”）：攻關耐壓為8000V的6英寸高壓晶閘管。晶閘管（Thyristor）又稱作可控硅整流器，是一種大功率開關型半導體器件，具有導通損耗低、功率容量大的優勢，在電力系統、工業裝備和脈沖電源中應用廣泛。高壓晶閘管是國家電網特高壓直流輸電項目急需的一種大功率器件，被國外壟斷，因需求型號特殊，外方要求先行支付巨額研發經費。僵持之下，國家電網找到株洲所。

劉國友臨危受命，擔綱高壓直流輸電晶閘管項目。在6英寸晶閘管芯片設計與工藝研究上，他發明鋁雜質轉移擴散工藝，優化P型雜質和電場分布，強化基區電導調制；研發多雜質補償擴散工藝，抑制大尺寸硅片高溫變形；突破芯片雙負角臺面造型、葫蘆串腐蝕和鈍化保護關鍵技術；開發高能電子輻照技術，精準調控靜態參數與動態特性，突破大尺寸、高電壓晶閘管關鍵技術。

他首創了6英寸高壓晶閘管防爆全壓接技術。主持研究開發新型全壓接結構，攻克因大尺寸、封裝材料熱膨脹系數失配而引起的芯片損傷和性能退化帶來的封裝技術難題；發明防爆封裝結構，能有效吸收、減緩芯片失效時爆炸能量釋放；突破了大尺寸芯片封裝及其應用可靠性關鍵技術。

作為負責人，他主持了“大尺寸半導體器件研發與產業化”建設項目技術工作，研究開發特高壓直流輸電6英寸晶閘管檢驗成套技術，建成國內外容量最大、試驗能力最強的特高壓直流輸電（UHVDC）晶閘管檢驗檢測中心，構建了自主化高壓晶閘管設計、制造、試驗完整技術體系，建成國內首條具有國際先進水平的6英寸8500V特高壓直流晶閘管生產線。

全球首只6英寸4000A/8000V特高壓直流晶閘管，就這樣在他手中誕生。國家電網相關專家鑒定認為“打破國外公司在這一技術領域的壟斷地位，促進國內功率半導體器件技術進步和特高壓直流輸電產業的發展，具有重大的戰略意義”。

在此基礎上，他與團隊設計優化了新一代超大容量6英寸5000A/8500V高壓晶閘管，先后制造了10萬余只特高壓直流輸電晶閘管，支撐了國內外20余個高壓直流工程，并走出國門，為巴西美麗山特高壓直流輸電項目提供了工程所需6000余只6英寸晶閘管，實現了晶閘管技術從跟跑到全球領先，獲評國家“制造業單項冠軍產品”稱號。“特大功率電力電子器件技術研發及推廣應用”獲2010年國家科技進步獎二等獎。

推動IGBT原始創新實現高端裝備自立自強

IGBT芯片是軌道交通領域的主流器件，主要負責將電能轉換為列車動力，并控制列車牽引功率與速度。其面臨極端應用載荷與運行工況，耐受電壓高、電流容量大、開關速度快，是電力電子技術核心基礎器件，被譽為驅動機車牽引電傳動系統的“高鐵之心”。但我國IGBT芯片長期依賴進口，使得我國高鐵等高端裝備產業受制于人。

2008年國際金融危機，英國大功率半導體企業丹尼克斯面臨資金困境。中車株洲所的上市公司主體中車時代電氣并購丹尼克斯，踏上IGBT產業化征程。

如何在丹尼克斯基礎上快速提升IGBT技術與制造能力，滿足軌道交通應用需求，特別是如何實現有競爭力的自主可控，對于剛進IGBT領域的中車時代電氣來說面臨巨大挑戰。

作為派駐英國負責技術與產業整合的先遣隊員，劉國友提議創建海外功率半導體研發中心，掌握新型功率半導體技術創新的主動權。2010年5月，中車株洲所在英國林肯成立功率半導體研發中心（以下簡稱“中心”）。

在公司支持下，他主持制定中心的使命愿景、體系構架、研究方向，搭建人才團隊，組織跟蹤國際先進技術、開展功率半導體基礎與前沿共性技術研究。

作為國內首個功率半導體海外研發基地，中心吸引了50余名功率半導體設計、工藝和應用工程師，聚焦新一代高功率密度 IGBT、SiC 芯片與模塊新技術、新材料、新工藝，肩負中國 IGBT 技術突破與產業化的重大使命，不僅在攻克IGBT關鍵核心技術、推動IGBT技術進步與產業化等方面發揮了巨大作用，而且在孕育IGBT技術研發與產業化創新團隊、創建新型功率半導體器件國家重點實驗室等方面也發揮了獨特優勢。

自2008年劉國友主持IGBT技術攻關以來，他和團隊攻克了高耐壓、低損耗、高可靠性的技術瓶頸，首創以高能氫離子注入為核心的低溫緩沖層技術，一舉突破IGBT芯片背面工藝難題，形成了自立自強的高壓IGBT技術體系；研發8英寸IGBT芯片深結、厚膜、深槽和薄片成套特色工藝，自主設計、設備定制與系統集成，建成全球首條8英寸高壓IGBT生產線，實現全流程智能制造與數字化，引領8英寸高壓IGBT制造技術進步，被評為2014年中國半導體十大新聞事件，“它的誕生到應用，已徹底打破國外高端IGBT技術壟斷，實現從研發、制造到應用的完全國產化”。

除軌道交通應用外，IGBT也在很多關鍵領域應用。壓接封裝是面向更大容量、能滿足高壓串聯應用的新型封裝架構，是柔性直流輸電和新型電力系統核心器件。在這一領域，日本東芝和瑞士ABB長期壟斷了國內外市場。

面向國家戰略和重大工程需求，劉國友于2010年主持開展壓接封裝IGBT技術研究，獨辟蹊徑，突破了以自適應壓力均衡機制為核心的柔性壓裝技術。首創高壓IGBT元胞大規模集成及其開關同步控制技術與芯片力學增強一體化子模組結構；獨創方形陶瓷金屬密封、自適應壓力均衡壓接封裝結構，使外殼臺面利用率提升20%，功率密度達到40kVA/cm2，比國外同類產品提升37%，突破了芯片均壓、均流和功率密度技術瓶頸，實現了全球功率密度最高的3600A/4500V超大容量壓接封裝。

3600A/4500V壓接型IGBT模塊，打破國外技術封鎖并達到世界領先水平，成功應用到張北直流電網、烏東德和白鶴灘等重大柔性直流輸電標志性工程，累計實現產值23.1億元，助力國家能源轉型和新型電力系統建設，支撐了我國大容量輸電技術從傳統直流到新一代柔性直流的跨越發展。“柔性電網用大容量壓接封裝IGBT關鍵技術及應用”獲2021年度湖南省技術發明一等獎、湖南專利獎特別獎、中國專利銀獎。

汽車制造業的轉型升級也帶來了IGBT應用市場的“井噴”。相比于傳統汽車，新能源汽車的生產需要用到的芯片可達到500~800個，有的甚至超過1000個。

降低 IGBT 芯片損耗、提高功率密度和可靠性，始終是 IGBT 芯片技術一個主攻方向，尤其是對于乘用車這樣的高溫、高濕、高振動的應用環境，體積和重量要求特別嚴格，功率密度和可靠性是考量汽車 IGBT 模塊性能的主要參數。

劉國友主持了溝槽柵IGBT基礎前沿技術研究。克服制造設備薄弱環節，發明了嵌入式發射極（RET）精細溝槽IGBT結構，取得美國發明專利，實現芯片結構亞微米級精細化的突破，大幅降低IGBT及FRD動、靜態損耗，并解決FRD小電流震蕩問題；解決高功率密度汽車IGBT模塊緊湊布局設計與高可靠性之間的矛盾問題，降低端子面積以增強襯板設計靈活性的同時保證端子焊接牢固、可靠；支撐系列汽車級高電流密度芯片及模塊產品開發并實現產業化；實現國產IGBT產品在電動汽車領域160kW及以上高端應用場景的突破，打破國外產品與技術的長期壟斷；保障我國新能源汽車IGBT芯片的自主、安全、可控，推動國內新能源汽車產業的快速、可持續發展，提升了國產器件在汽車IGBT領域的話語權。

他負責了“新能源汽車用IGBT”“汽車IGBT研發與試制能力建設”等國家重大產業化項目實施，2020 年9月自主建成了一條以國際一流的第六代IGBT技術為基礎的 8 英寸、月產 2 萬片汽車級 IGBT芯片生產線，形成汽車級芯片設計、制造、封裝與測試等全套能力，為持續開展芯片精細化和功能集成技術提供了一個先進技術平臺，滿足年產 240 萬臺新能源汽車應用需要，有力支撐我國新能源汽車產業的蓬勃發展，為我國汽車工業提供新動力。“車規級高電流密度精細溝槽IGBT開發與應用”獲2021年中車科學技術獎特等獎。

經過十余年堅持不懈的努力，團隊設計、開發了全系列IGBT芯片，綜合性能達到國際先進水平，通態損耗、關斷能力和短路特性等方面優于國外同類產品，實現了650V－6500V 8英寸IGBT芯片產業化，打破國外長期封鎖與壟斷，自主IGBT已占國內軌道交通市場60%、新能源汽車市場20%，實現了我國 IGBT 技術從無到有、IGBT產業由弱到強的歷史性跨越。其中“高壓大電流IGBT關鍵技術及應用”獲2019年國家技術發明獎二等獎。

8英寸高壓IGBT芯片下線儀式

發揮行業輻射功能推動產業生態圈建設

基于功率半導體海外研發中心、IGBT技術研發與產業化國家重點領域創新團隊和新型功率半導體器件國家重點實驗室等技術平臺，劉國友團隊通過開放性的技術交流與產學研合作，提高行業影響力。先后與劍橋大學、諾丁漢大學、歐洲電力電子中心（ECPE）、中科院微電子所、清華大學、電子科大、湖南大學等國內外知名高校與科研機構建立了長期合作，共同開展 IGBT技術研究，成功申報多項國家和省部級重大課題與政府合作項目等。通過學術交流和相互啟迪，開闊視野，掌握新知，催生新思想、新觀點和新方法。團隊累計發表學術論文150 余篇，開展技術演講與學術交流 110 余次，擴大了學術影響力。

十余年來，研發碩果累累，團隊人才輩出。承擔了國家 02 專項、“863”、國家重點研發計劃、國家發改委專項等 20余項國家級項目，培養與引進了包括 2 名國家“千人計劃”專家、2 名國家“萬人計劃”專家、 3名“湖湘百人”和 “湖湘英才”等一大批高端人才；推動大功率晶閘管、IGCT、IGBT和SiC技術融通創新和產業協同發展，示范引領了國內功率半導體技術進步，支撐了中車功率半導體技術發展與產品的更新換代。“中車IGBT技術研發與產業化創新團隊”獲2021年中國電子學會創新團隊獎。

基于中車功率半導體創新平臺與產業化基地，他們組建了“功率半導體行業聯盟”，定期舉辦國際學術論壇和產業戰略論壇，推動行業技術進步、標準制定和產業生態建設。

技術與市場雙輪驅動，打造自主、安全、可控的功率半導體產業生態圈，方能推動功率半導體材料、裝備、器件和應用產業的快速發展，提高行業整體技術水平與產業競爭力，支撐高鐵、智能電網等高端裝備制造業和新能源、電動汽車等戰略性新興產業的可持續發展，實現真正意義上的芯片自主。