文 / 龐貝 鄭聲宇

2023年伊始，有消息傳出，美國(guó)將對(duì)華為實(shí)施全面封鎖，徹底斷絕美供應(yīng)商向華為提供任何產(chǎn)品。無(wú)論這一消息是否空穴來(lái)風(fēng)，都顯現(xiàn)出我國(guó)在芯片領(lǐng)域仍處弱勢(shì)地位。

但在IGBT（絕緣柵雙極晶體管）領(lǐng)域，有分析指出，國(guó)內(nèi)在芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、模塊封裝等整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈基本都已有布局。整體來(lái)看，中國(guó)IGBT產(chǎn)業(yè)鏈正逐步具備國(guó)產(chǎn)替代能力。

劉國(guó)友，中車(chē)科學(xué)家，新型功率半導(dǎo)體器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任，長(zhǎng)期從事功率半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究、前沿技術(shù)探索、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)業(yè)化與工程應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)，引領(lǐng)8英寸高壓IGBT芯片產(chǎn)業(yè)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(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自立自強(qiáng)，支撐了高鐵、高壓直流輸電和新能源等高端裝備技術(shù)創(chuàng)新與自主可控，并拓展到“雙碳”目標(biāo)下能源與交通等廣泛應(yīng)用領(lǐng)域。

以下，我們以劉國(guó)友團(tuán)隊(duì)作為創(chuàng)新樣本，來(lái)回顧國(guó)產(chǎn)大功率半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)擊之路。

突破6英寸高壓晶閘管支撐特高壓技術(shù)晉級(jí)

21世紀(jì)，我國(guó)步入經(jīng)濟(jì)發(fā)展快車(chē)道，能源的區(qū)域分布不平衡問(wèn)題日益突出。我國(guó)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(xié)調(diào)這種時(shí)空上的不平衡，解決電力長(zhǎng)距離、跨地區(qū)傳輸問(wèn)題，我國(guó)大力發(fā)展特高壓工程。可喜的是，經(jīng)過(guò)國(guó)家多年的鼓勵(lì)與扶植，在全行業(yè)的共同努力下，我國(guó)特高壓輸電水平已達(dá)世界領(lǐng)先地位。

所謂“全行業(yè)”，當(dāng)然不單指電力人，這其中還有芯片人的不懈奮斗。

2005年底國(guó)家電網(wǎng)帶著任務(wù)找到了株洲電力機(jī)車(chē)研究所（以下簡(jiǎn)稱“株洲所”）：攻關(guān)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(kāi)關(guān)型半導(dǎo)體器件，具有導(dǎo)通損耗低、功率容量大的優(yōu)勢(shì)，在電力系統(tǒng)、工業(yè)裝備和脈沖電源中應(yīng)用廣泛。高壓晶閘管是國(guó)家電網(wǎng)特高壓直流輸電項(xiàng)目急需的一種大功率器件，被國(guó)外壟斷，因需求型號(hào)特殊，外方要求先行支付巨額研發(fā)經(jīng)費(fèi)。僵持之下，國(guó)家電網(wǎng)找到株洲所。

劉國(guó)友臨危受命，擔(dān)綱高壓直流輸電晶閘管項(xiàng)目。在6英寸晶閘管芯片設(shè)計(jì)與工藝研究上，他發(fā)明鋁雜質(zhì)轉(zhuǎn)移擴(kuò)散工藝，優(yōu)化P型雜質(zhì)和電場(chǎng)分布，強(qiáng)化基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制；研發(fā)多雜質(zhì)補(bǔ)償擴(kuò)散工藝，抑制大尺寸硅片高溫變形；突破芯片雙負(fù)角臺(tái)面造型、葫蘆串腐蝕和鈍化保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)；開(kāi)發(fā)高能電子輻照技術(shù)，精準(zhǔn)調(diào)控靜態(tài)參數(shù)與動(dòng)態(tài)特性，突破大尺寸、高電壓晶閘管關(guān)鍵技術(shù)。

他首創(chuàng)了6英寸高壓晶閘管防爆全壓接技術(shù)。主持研究開(kāi)發(fā)新型全壓接結(jié)構(gòu)，攻克因大尺寸、封裝材料熱膨脹系數(shù)失配而引起的芯片損傷和性能退化帶來(lái)的封裝技術(shù)難題；發(fā)明防爆封裝結(jié)構(gòu)，能有效吸收、減緩芯片失效時(shí)爆炸能量釋放；突破了大尺寸芯片封裝及其應(yīng)用可靠性關(guān)鍵技術(shù)。

作為負(fù)責(zé)人，他主持了“大尺寸半導(dǎo)體器件研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”建設(shè)項(xiàng)目技術(shù)工作，研究開(kāi)發(fā)特高壓直流輸電6英寸晶閘管檢驗(yàn)成套技術(shù)，建成國(guó)內(nèi)外容量最大、試驗(yàn)?zāi)芰ψ顝?qiáng)的特高壓直流輸電（UHVDC）晶閘管檢驗(yàn)檢測(cè)中心，構(gòu)建了自主化高壓晶閘管設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)完整技術(shù)體系，建成國(guó)內(nèi)首條具有國(guó)際先進(jìn)水平的6英寸8500V特高壓直流晶閘管生產(chǎn)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(guó)家電網(wǎng)相關(guān)專家鑒定認(rèn)為“打破國(guó)外公司在這一技術(shù)領(lǐng)域的壟斷地位，促進(jìn)國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體器件技術(shù)進(jìn)步和特高壓直流輸電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有重大的戰(zhàn)略意義”。

在此基礎(chǔ)上，他與團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)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(wàn)余只特高壓直流輸電晶閘管，支撐了國(guó)內(nèi)外20余個(gè)高壓直流工程，并走出國(guó)門(mén)，為巴西美麗山特高壓直流輸電項(xiàng)目提供了工程所需6000余只6英寸晶閘管，實(shí)現(xiàn)了晶閘管技術(shù)從跟跑到全球領(lǐng)先，獲評(píng)國(guó)家“制造業(yè)單項(xiàng)冠軍產(chǎn)品”稱號(hào)。“特大功率電力電子器件技術(shù)研發(fā)及推廣應(yīng)用”獲2010年國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

推動(dòng)IGBT原始創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)高端裝備自立自強(qiáng)

IGBT芯片是軌道交通領(lǐng)域的主流器件，主要負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)換為列車(chē)動(dòng)力，并控制列車(chē)牽引功率與速度。其面臨極端應(yīng)用載荷與運(yùn)行工況，耐受電壓高、電流容量大、開(kāi)關(guān)速度快，是電力電子技術(shù)核心基礎(chǔ)器件，被譽(yù)為驅(qū)動(dòng)機(jī)車(chē)牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)的“高鐵之心”。但我國(guó)IGBT芯片長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，使得我國(guó)高鐵等高端裝備產(chǎn)業(yè)受制于人。

2008年國(guó)際金融危機(jī)，英國(guó)大功率半導(dǎo)體企業(yè)丹尼克斯面臨資金困境。中車(chē)株洲所的上市公司主體中車(chē)時(shí)代電氣并購(gòu)丹尼克斯，踏上IGBT產(chǎn)業(yè)化征程。

如何在丹尼克斯基礎(chǔ)上快速提升IGBT技術(shù)與制造能力，滿足軌道交通應(yīng)用需求，特別是如何實(shí)現(xiàn)有競(jìng)爭(zhēng)力的自主可控，對(duì)于剛進(jìn)IGBT領(lǐng)域的中車(chē)時(shí)代電氣來(lái)說(shuō)面臨巨大挑戰(zhàn)。

作為派駐英國(guó)負(fù)責(zé)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)整合的先遣隊(duì)員，劉國(guó)友提議創(chuàng)建海外功率半導(dǎo)體研發(fā)中心，掌握新型功率半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新的主動(dòng)權(quán)。2010年5月，中車(chē)株洲所在英國(guó)林肯成立功率半導(dǎo)體研發(fā)中心（以下簡(jiǎn)稱“中心”）。

在公司支持下，他主持制定中心的使命愿景、體系構(gòu)架、研究方向，搭建人才團(tuán)隊(duì)，組織跟蹤國(guó)際先進(jìn)技術(shù)、開(kāi)展功率半導(dǎo)體基礎(chǔ)與前沿共性技術(shù)研究。

作為國(guó)內(nèi)首個(gè)功率半導(dǎo)體海外研發(fā)基地，中心吸引了50余名功率半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、工藝和應(yīng)用工程師，聚焦新一代高功率密度 IGBT、SiC 芯片與模塊新技術(shù)、新材料、新工藝，肩負(fù)中國(guó) IGBT 技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)化的重大使命，不僅在攻克IGBT關(guān)鍵核心技術(shù)、推動(dòng)IGBT技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)化等方面發(fā)揮了巨大作用，而且在孕育IGBT技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、創(chuàng)建新型功率半導(dǎo)體器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等方面也發(fā)揮了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

自2008年劉國(guó)友主持IGBT技術(shù)攻關(guān)以來(lái)，他和團(tuán)隊(duì)攻克了高耐壓、低損耗、高可靠性的技術(shù)瓶頸，首創(chuàng)以高能氫離子注入為核心的低溫緩沖層技術(shù)，一舉突破IGBT芯片背面工藝難題，形成了自立自強(qiáng)的高壓IGBT技術(shù)體系；研發(fā)8英寸IGBT芯片深結(jié)、厚膜、深槽和薄片成套特色工藝，自主設(shè)計(jì)、設(shè)備定制與系統(tǒng)集成，建成全球首條8英寸高壓IGBT生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)全流程智能制造與數(shù)字化，引領(lǐng)8英寸高壓IGBT制造技術(shù)進(jìn)步，被評(píng)為2014年中國(guó)半導(dǎo)體十大新聞事件，“它的誕生到應(yīng)用，已徹底打破國(guó)外高端IGBT技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)從研發(fā)、制造到應(yīng)用的完全國(guó)產(chǎn)化”。

除軌道交通應(yīng)用外，IGBT也在很多關(guān)鍵領(lǐng)域應(yīng)用。壓接封裝是面向更大容量、能滿足高壓串聯(lián)應(yīng)用的新型封裝架構(gòu)，是柔性直流輸電和新型電力系統(tǒng)核心器件。在這一領(lǐng)域，日本東芝和瑞士ABB長(zhǎng)期壟斷了國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)。

面向國(guó)家戰(zhàn)略和重大工程需求，劉國(guó)友于2010年主持開(kāi)展壓接封裝IGBT技術(shù)研究，獨(dú)辟蹊徑，突破了以自適應(yīng)壓力均衡機(jī)制為核心的柔性壓裝技術(shù)。首創(chuàng)高壓IGBT元胞大規(guī)模集成及其開(kāi)關(guān)同步控制技術(shù)與芯片力學(xué)增強(qiáng)一體化子模組結(jié)構(gòu)；獨(dú)創(chuàng)方形陶瓷金屬密封、自適應(yīng)壓力均衡壓接封裝結(jié)構(gòu)，使外殼臺(tái)面利用率提升20%，功率密度達(dá)到40kVA/cm2，比國(guó)外同類產(chǎn)品提升37%，突破了芯片均壓、均流和功率密度技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)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(guó)外技術(shù)封鎖并達(dá)到世界領(lǐng)先水平，成功應(yīng)用到張北直流電網(wǎng)、烏東德和白鶴灘等重大柔性直流輸電標(biāo)志性工程，累計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值23.1億元，助力國(guó)家能源轉(zhuǎn)型和新型電力系統(tǒng)建設(shè)，支撐了我國(guó)大容量輸電技術(shù)從傳統(tǒng)直流到新一代柔性直流的跨越發(fā)展。“柔性電網(wǎng)用大容量壓接封裝IGBT關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”獲2021年度湖南省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、湖南專利獎(jiǎng)特別獎(jiǎng)、中國(guó)專利銀獎(jiǎng)。

汽車(chē)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)也帶來(lái)了IGBT應(yīng)用市場(chǎng)的“井噴”。相比于傳統(tǒng)汽車(chē)，新能源汽車(chē)的生產(chǎn)需要用到的芯片可達(dá)到500~800個(gè)，有的甚至超過(guò)1000個(gè)。

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(shù)一個(gè)主攻方向，尤其是對(duì)于乘用車(chē)這樣的高溫、高濕、高振動(dòng)的應(yīng)用環(huán)境，體積和重量要求特別嚴(yán)格，功率密度和可靠性是考量汽車(chē) IGBT 模塊性能的主要參數(shù)。

劉國(guó)友主持了溝槽柵IGBT基礎(chǔ)前沿技術(shù)研究?？朔圃煸O(shè)備薄弱環(huán)節(jié)，發(fā)明了嵌入式發(fā)射極（RET）精細(xì)溝槽IGBT結(jié)構(gòu)，取得美國(guó)發(fā)明專利，實(shí)現(xiàn)芯片結(jié)構(gòu)亞微米級(jí)精細(xì)化的突破，大幅降低IGBT及FRD動(dòng)、靜態(tài)損耗，并解決FRD小電流震蕩問(wèn)題；解決高功率密度汽車(chē)IGBT模塊緊湊布局設(shè)計(jì)與高可靠性之間的矛盾問(wèn)題，降低端子面積以增強(qiáng)襯板設(shè)計(jì)靈活性的同時(shí)保證端子焊接牢固、可靠；支撐系列汽車(chē)級(jí)高電流密度芯片及模塊產(chǎn)品開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)IGBT產(chǎn)品在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域160kW及以上高端應(yīng)用場(chǎng)景的突破，打破國(guó)外產(chǎn)品與技術(shù)的長(zhǎng)期壟斷；保障我國(guó)新能源汽車(chē)IGBT芯片的自主、安全、可控，推動(dòng)國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速、可持續(xù)發(fā)展，提升了國(guó)產(chǎn)器件在汽車(chē)IGBT領(lǐng)域的話語(yǔ)權(quán)。

他負(fù)責(zé)了“新能源汽車(chē)用IGBT”“汽車(chē)IGBT研發(fā)與試制能力建設(shè)”等國(guó)家重大產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目實(shí)施，2020 年9月自主建成了一條以國(guó)際一流的第六代IGBT技術(shù)為基礎(chǔ)的 8 英寸、月產(chǎn) 2 萬(wàn)片汽車(chē)級(jí) IGBT芯片生產(chǎn)線，形成汽車(chē)級(jí)芯片設(shè)計(jì)、制造、封裝與測(cè)試等全套能力，為持續(xù)開(kāi)展芯片精細(xì)化和功能集成技術(shù)提供了一個(gè)先進(jìn)技術(shù)平臺(tái)，滿足年產(chǎn) 240 萬(wàn)臺(tái)新能源汽車(chē)應(yīng)用需要，有力支撐我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，為我國(guó)汽車(chē)工業(yè)提供新動(dòng)力。“車(chē)規(guī)級(jí)高電流密度精細(xì)溝槽IGBT開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”獲2021年中車(chē)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。

經(jīng)過(guò)十余年堅(jiān)持不懈的努力，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了全系列IGBT芯片，綜合性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，通態(tài)損耗、關(guān)斷能力和短路特性等方面優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了650V－6500V 8英寸IGBT芯片產(chǎn)業(yè)化，打破國(guó)外長(zhǎng)期封鎖與壟斷，自主IGBT已占國(guó)內(nèi)軌道交通市場(chǎng)60%、新能源汽車(chē)市場(chǎng)20%，實(shí)現(xiàn)了我國(guó) IGBT 技術(shù)從無(wú)到有、IGBT產(chǎn)業(yè)由弱到強(qiáng)的歷史性跨越。其中“高壓大電流IGBT關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”獲2019年國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

8英寸高壓IGBT芯片下線儀式

發(fā)揮行業(yè)輻射功能推動(dòng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈建設(shè)

基于功率半導(dǎo)體海外研發(fā)中心、IGBT技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化國(guó)家重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和新型功率半導(dǎo)體器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等技術(shù)平臺(tái)，劉國(guó)友團(tuán)隊(duì)通過(guò)開(kāi)放性的技術(shù)交流與產(chǎn)學(xué)研合作，提高行業(yè)影響力。先后與劍橋大學(xué)、諾丁漢大學(xué)、歐洲電力電子中心（ECPE）、中科院微電子所、清華大學(xué)、電子科大、湖南大學(xué)等國(guó)內(nèi)外知名高校與科研機(jī)構(gòu)建立了長(zhǎng)期合作，共同開(kāi)展 IGBT技術(shù)研究，成功申報(bào)多項(xiàng)國(guó)家和省部級(jí)重大課題與政府合作項(xiàng)目等。通過(guò)學(xué)術(shù)交流和相互啟迪，開(kāi)闊視野，掌握新知，催生新思想、新觀點(diǎn)和新方法。團(tuán)隊(duì)累計(jì)發(fā)表學(xué)術(shù)論文150 余篇，開(kāi)展技術(shù)演講與學(xué)術(shù)交流 110 余次，擴(kuò)大了學(xué)術(shù)影響力。

十余年來(lái)，研發(fā)碩果累累，團(tuán)隊(duì)人才輩出。承擔(dān)了國(guó)家 02 專項(xiàng)、“863”、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家發(fā)改委專項(xiàng)等 20余項(xiàng)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目，培養(yǎng)與引進(jìn)了包括 2 名國(guó)家“千人計(jì)劃”專家、2 名國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”專家、 3名“湖湘百人”和 “湖湘英才”等一大批高端人才；推動(dòng)大功率晶閘管、IGCT、IGBT和SiC技術(shù)融通創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展，示范引領(lǐng)了國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步，支撐了中車(chē)功率半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)品的更新?lián)Q代?！爸熊?chē)IGBT技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”獲2021年中國(guó)電子學(xué)會(huì)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)。

基于中車(chē)功率半導(dǎo)體創(chuàng)新平臺(tái)與產(chǎn)業(yè)化基地，他們組建了“功率半導(dǎo)體行業(yè)聯(lián)盟”，定期舉辦國(guó)際學(xué)術(shù)論壇和產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略論壇，推動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步、標(biāo)準(zhǔn)制定和產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)。

技術(shù)與市場(chǎng)雙輪驅(qū)動(dòng)，打造自主、安全、可控的功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，方能推動(dòng)功率半導(dǎo)體材料、裝備、器件和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，提高行業(yè)整體技術(shù)水平與產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，支撐高鐵、智能電網(wǎng)等高端裝備制造業(yè)和新能源、電動(dòng)汽車(chē)等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)真正意義上的芯片自主。