中國高鐵躍動(dòng)“中國芯”
2017-06-30
（原標(biāo)題：中國高鐵躍動(dòng)“中國芯”）
6月26日上午11時(shí)05分，兩列“復(fù)興號(hào)”從京滬兩地同時(shí)對(duì)開首發(fā)。這是中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的正式亮相。中國標(biāo)準(zhǔn)少不了“中國芯”——大功率IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）技術(shù)。正是它悄然把控著機(jī)車的自動(dòng)控制和功率變換。
這項(xiàng)被譽(yù)為“皇冠上的明珠”的現(xiàn)代機(jī)車車輛技術(shù)，被德國、日本等國把控了30年。如今，由中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中車株洲所”）研發(fā)突破，實(shí)現(xiàn)了自主國產(chǎn)化。
國家難題
高速和重載是現(xiàn)代機(jī)車車輛裝備發(fā)展的兩個(gè)重要方向，兩者的關(guān)鍵都在于給機(jī)車提供一個(gè)強(qiáng)大而持續(xù)發(fā)力的“心臟”——牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)。而牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)里，一塊巴掌大小的IGBT模塊，成為“命脈”。
過去，我國機(jī)車車輛用IGBT模塊都要從德國、日本進(jìn)口，特別是在高等級(jí)的IGBT器件上，更沒有中國人的一席之地。2008年，隨著高鐵建設(shè)的加快，需求倍增，一個(gè)8列的動(dòng)車組就需要152個(gè)芯片，成本高達(dá)200萬元。每年中國需要10萬只芯片，總金額高達(dá)12億元。
中車株洲所IGBT項(xiàng)目的一位研發(fā)負(fù)責(zé)人說，國際產(chǎn)品銷售市場(chǎng)中，中國并非優(yōu)先級(jí)，我們買的價(jià)格貴，一個(gè)模塊就高達(dá)1萬多元，而且只能買成品，產(chǎn)品交貨周期很長。
IGBT器件技術(shù)分為芯片、模塊封裝及應(yīng)用測(cè)試三大塊。芯片技術(shù)是其中最為關(guān)鍵的技術(shù)。
以7200千瓦大功率交流電力機(jī)車用IGBT為例，一塊巴掌大小的IGBT模塊內(nèi)共有36塊指甲大小的芯片，每塊芯片并聯(lián)擺放5萬個(gè)被稱作為“元胞”的電子單元。這些“元胞”相當(dāng)于IGBT的“細(xì)胞”，它們能夠在百萬分之一秒的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)電流的快速轉(zhuǎn)化。而要在指甲大小的芯片上均勻加工處理5萬個(gè)細(xì)如發(fā)絲的“元胞”，難度無異于在“針尖上繡花”。
2007年，國家相關(guān)部委將IGBT器件技術(shù)作為我國重大專項(xiàng)課題，投入巨資，集中研發(fā)，但進(jìn)展緩慢。
并購?fù)粐?br />
中車株洲所在上世紀(jì)60年代建所，從零起步開始了電力機(jī)車電氣系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)、制造工作，曾依靠自己的力量，聯(lián)合主機(jī)廠生產(chǎn)出了新中國首臺(tái)電力機(jī)車，并首次將硅整流器取代傳統(tǒng)的引燃管整流器，開啟了國產(chǎn)電力機(jī)車的“電力電子時(shí)代”。
2006年，該所成功研制世界上第一只6英寸晶閘管，這是世界上最大直徑、最大電流電壓容量的晶閘管，使我國80萬伏以上的超高壓直流輸電成為現(xiàn)實(shí)。
2007年年末，席卷全球的金融危機(jī)為中車株洲所帶來了機(jī)遇。
成立于1956年的英國老牌企業(yè)丹尼克斯半導(dǎo)體公司因?yàn)榻鹑谖C(jī)陷入困境。它是世界最早進(jìn)行IGBT技術(shù)研發(fā)的廠家，該公司有一條4英寸生產(chǎn)線，因缺少資金和應(yīng)用平臺(tái)，發(fā)展較為緩慢。2008年10月31日，中國中車株洲所下屬的時(shí)代電氣股份有限公司成功收購英國丹尼克斯半導(dǎo)體公司75%的股權(quán)，成為中國軌道交通裝備企業(yè)首個(gè)海外并購項(xiàng)目。
2010年5月，中車株洲所在英國成立功率半導(dǎo)體研發(fā)中心，成為中國軌道交通裝備制造企業(yè)首個(gè)海外研發(fā)中心，集中開發(fā)新一代IGBT芯片技術(shù)、新一代高功率密度IGBT模塊技術(shù)和下一代碳化硅功率器件技術(shù)等前沿基礎(chǔ)技術(shù)，并從所里派出了多批技術(shù)專家前往英國。
中車株洲所投入巨資，為丹尼克斯建成了多年夢(mèng)寐以求的6英寸IGBT芯片生產(chǎn)線。隨后，更多國內(nèi)技術(shù)人員來到英國，新開發(fā)出多個(gè)1700伏以上高等級(jí)IGBT模塊。合作順利的雙方攜手進(jìn)行下一代高功率IGBT芯片技術(shù)研究、生產(chǎn)。
高端技術(shù)
2013年12月27日，來自中國科學(xué)院、中國工程院的4位院士及10余位國內(nèi)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(fā)陣陣驚嘆。
這是中國企業(yè)自主研制的第一款國內(nèi)最大電壓等級(jí)、最高功率密度的6500伏高壓IGBT芯片。該成果總體技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平、填補(bǔ)國內(nèi)行業(yè)空白，實(shí)現(xiàn)了中國在高端IGBT技術(shù)領(lǐng)域與國際先進(jìn)水平接軌，具有重大戰(zhàn)略意義。
每一列高鐵用到3000~5000個(gè)芯片，鋪列開來有1平方米的面積，處理的是兆瓦級(jí)功率，一個(gè)芯片失效會(huì)導(dǎo)致高鐵故障。無論軌道交通，還是新能源、工業(yè)變頻，都高度依賴。
中車株洲所半導(dǎo)體事業(yè)部副總經(jīng)理羅海輝透露，IGBT芯片從前期研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化，都有國家戰(zhàn)略在引導(dǎo)。他說，每個(gè)IGBT的制造需要通過200多道工序，涉及機(jī)械、半導(dǎo)體、材料、化工等多門復(fù)雜學(xué)科，目前能在國際上制造大功率IGBT芯片的國家屈指可數(shù)。
目前，中車株洲所投資14億元建設(shè)了國內(nèi)第一條8英寸的IGBT芯片生產(chǎn)基地，成為國內(nèi)唯一一家全面掌握IGBT芯片技術(shù)研發(fā)、模塊封裝測(cè)試和系統(tǒng)應(yīng)用的企業(yè)，其技術(shù)可與世界頂尖的公司媲美，而價(jià)格卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。
2015年，我國自主研發(fā)的高功率IGBT芯片首次走出國門，出口印度。
目前，中車株洲所還與中國科學(xué)院微電子技術(shù)研究所共同開展以碳化硅（SIC）為基礎(chǔ)材料的新型IGBT技術(shù)研發(fā)，已經(jīng)成功研制出芯片樣品，構(gòu)建了封裝模型。這意味著中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)又前進(jìn)了一大步。
胡小亮中國青年報(bào)·中青在線記者洪克非來源：中國青年報(bào)（2017年06月30日02版）
(原標(biāo)題：中國高鐵躍動(dòng)“中國芯”)
本文來源：中國青年報(bào)
