文章簡要介紹了我國電力電子技術(shù)發(fā)展五十余年，硅整流器，硅晶閘管及其派生器件裝備了我國工業(yè)；5英寸、6英寸硅晶閘管達(dá)到國際先進(jìn)水平，成功裝備了我國直流輸電；硅基IGBT已有封裝產(chǎn)線、從芯片到封裝8寸線，代工生產(chǎn)模式，并逐步替代進(jìn)口，開始打破國外IGBT的一統(tǒng)天下。

1│序言

我國半導(dǎo)體研究始于1956年，當(dāng)時(shí)我國提出“向科學(xué)進(jìn)軍”，國家制定了發(fā)展各門尖端科學(xué)的“十二年科學(xué)技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)景規(guī)劃”，把半導(dǎo)體技術(shù)列為國家四大緊急措施之一，中國科學(xué)院應(yīng)用物理研究所舉辦半導(dǎo)體器件短期培訓(xùn)，請回國的半導(dǎo)體專家黃昆、吳錫九、黃敞、林蘭英、王守武、成眾志等講授半導(dǎo)體理論、晶體管制造技術(shù)和半導(dǎo)體線路。國家決定由北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、吉林大學(xué)、廈門大學(xué)、南開大學(xué)五所大學(xué)開設(shè)半導(dǎo)體物理專業(yè)，由著名教授黃昆（北京大學(xué)）、謝希德（復(fù)旦大學(xué)）、高鼎三（吉林大學(xué)）授課。1957年有第一批畢業(yè)生，其中有現(xiàn)成為科學(xué)院院士的王陽元（北京大學(xué)）、工程院院士的許居衍（華晶集團(tuán)公司）、電子部總工程師俞忠鈺等人。

中國的頻率器件首先從鍺（Ge）開始，1957年北京電子管廠拉制出鍺單晶，先后研制出二極管和三極管，如π401。1959年，天津拉制出硅單晶，從此硅器件逐步開發(fā)出來。

我國硅基電力電子器件隨著頻率器件而發(fā)展，歸屬一機(jī)部北京電器科學(xué)院第六研究室（后內(nèi)遷西安整流器研究所）當(dāng)屬最早的研制硅電力電子器件群體，當(dāng)時(shí)有硅整流器、硅晶閘管，快速硅晶閘管，逆導(dǎo)硅晶閘管，可關(guān)斷硅晶閘管、雙向硅晶閘管等課題。許多設(shè)計(jì)上的成果，許多工藝上的突破，許多老一代科技工作者的貢獻(xiàn)……俱往矣?，F(xiàn)在看到了一個(gè)全國電力電子行業(yè)，我跟隨了這個(gè)行業(yè)50年（1964年分配到北京電器院六室），看到了行業(yè)的發(fā)展過程。

為接近準(zhǔn)確描繪我國現(xiàn)在硅基器件的發(fā)展?fàn)顩r，起草本文前，曾電話請教黃躍先（北京椿樹）、趙善麒（江蘇宏微）、吳煜東（南車）、沈華（嘉興斯達(dá)）林信南（北京大學(xué)深圳研究生院）、吳濟(jì)鈞（西安電力電子所）、王正鳴（西安電力電子所）、周敏川（中科君芯）、乜連波（威海新佳）、潘福泉（沈陽工大）、顏家圣（臺(tái)基）等專家，并同日本東芝馬東宏先生、富士劉展前先生，羅姆公司水原德健先生，電裝程偉濤先生交流過。于近期到嘉興斯達(dá)半導(dǎo)體、南車8英寸線，中科君芯、華潤上華8英寸線等參觀學(xué)習(xí)，他們都給了許多指導(dǎo)與幫助。

2│硅整流器、硅晶閘管完全滿足裝備我國工業(yè)的能力

在硅基電力電子器件以前，曾有過一個(gè)短暫的水銀整流器的過程，如蘇聯(lián)援建的156項(xiàng)工程中的西安電力整流器廠就有一段時(shí)間生產(chǎn)水銀整流器。由于缺點(diǎn)多而被硅器件取代，按著世界硅器件發(fā)展年譜，硅器件的發(fā)展如表1：

表1世界硅器件發(fā)展幾個(gè)階段的代表器件

硅基電力電子器件研制中，曾經(jīng)的努力，成功與挫折，奠定了中國電力電子行業(yè)的基礎(chǔ)。從六十年代起，開始不斷地裝備我國工業(yè)，如發(fā)電、機(jī)械、冶金、礦山、石油、石化、紡織、印染、造紙、印刷、醫(yī)藥、食品、農(nóng)機(jī)、激光、汽車、軌道交通、艦船、航空航天等領(lǐng)域，硅基電力電子器件的品種型號不斷擴(kuò)大，阻斷特性不斷提高。

如結(jié)溫已提高到125℃、150℃、175℃，甚至一些低壓雪崩器件，結(jié)溫標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)215℃。

原來五大整流器廠有了新的組合，如原北京整流器廠同ABB合資生產(chǎn)變頻器，年銷售額已超過50億元。改革開放以后，在市場經(jīng)濟(jì)的大潮中，涌現(xiàn)出不少高素質(zhì)的電力電子企業(yè)，有的上市（南車、臺(tái)基、楊杰、九洲、合康、匯川、英威騰）；有的發(fā)展很快（斯達(dá)、宏微、藍(lán)海華騰）。產(chǎn)品向模塊化、智能化發(fā)展，外商已經(jīng)采購中國的元器件和裝置。

3│5英寸、6英寸硅晶閘管已達(dá)到國際先進(jìn)水平

值得高興的是，5英寸、6英寸硅晶閘管已達(dá)到國際先進(jìn)水平。5英寸、6英寸硅晶閘管是硅晶閘管的王冠，代表了企業(yè)實(shí)力、國家水平。西安電力電子技術(shù)研究所和南車時(shí)代先后量產(chǎn)5英寸、6英寸硅晶閘管、裝備了我國直流輸電工程，是世界壯舉。除為我國節(jié)省大量外匯外，也提高了我國硅基電力電子器件的話語權(quán)。征得西安電力電子技術(shù)研究所的同意，將該所5英寸、6英寸鑒定成果和直流輸電工程業(yè)績納入表2、表3。

南車時(shí)代電力電子事業(yè)部生產(chǎn)的5英寸、6英寸硅晶閘管也在10多條直流輸電工程上使用。

4│硅基IGBT已經(jīng)量產(chǎn)并逐步占領(lǐng)市場

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是目前世界用量最大，用途廣泛的電力電子器件，估計(jì)我國目前超過100億元人民幣，變頻器一項(xiàng)可超過60億元人民幣，變頻行業(yè)的市場估計(jì)有300億元人民幣，變頻器中20-30%的成本為IGBT器件（高壓變頻器少一點(diǎn)，因?yàn)槌杀局杏幸慌_(tái)特種變壓器）如果把各種AC-DC、DC-DC、DC-AC電源、風(fēng)電變流器、光伏發(fā)電的逆變器、高鐵、動(dòng)車、地鐵及SVC、SVG等用的IGBT統(tǒng)計(jì)起來，市場值將超過100億元人民幣。過去，這個(gè)市場全部由英飛凌、ABB、富士、三菱、東芝等外國公司控制。近幾年，由于嘉興斯達(dá)、江蘇宏微、威海新佳、南車時(shí)代等采用后道工藝封裝，占領(lǐng)了不到10億的市場，但芯片仍從國外進(jìn)口，因而中國芯問題是IGBT量產(chǎn)的核心問題。2014年6月報(bào)導(dǎo)南車8英寸IGBT下線，非常振奮人心。但愿IGBT中國芯從此得到解決或者逐步解決，這是國人的最大希望。

表2  西安派瑞功率半導(dǎo)體變流技術(shù)有限公司（西安電力電子技術(shù)研究所）高壓直流輸電用大功率晶閘管鑒定驗(yàn)收情況

表3  西安派瑞功率半導(dǎo)體變流技術(shù)有限公司（西安電力電子技術(shù)研究所）直流輸電項(xiàng)目業(yè)績表

筆者近幾月到IGBT生產(chǎn)單位參觀學(xué)習(xí)，歸結(jié)我國現(xiàn)在IGBT的產(chǎn)業(yè)化有三種模式：

1．斯達(dá)模式——封裝

嘉興斯達(dá)是目前我國IGBT封裝企業(yè)銷量最大的公司。2014年計(jì)劃銷售4億元人民幣。我和大連普傳張海杰董事長一起考察了斯達(dá)，沈華總經(jīng)理接待了我們，沈總講6月份出貨5000萬元。我和張總都看到：嘉興斯達(dá)發(fā)展得不錯(cuò)，有了自己的三棟廠房、進(jìn)口了滿足封裝要求的關(guān)鍵設(shè)備和檢測設(shè)備，有了超凈和純水及液氮等條件設(shè)施，已經(jīng)有了半導(dǎo)體工廠的樣子；固定資產(chǎn)已經(jīng)有2.8億元人民幣。沈華總經(jīng)理講設(shè)備進(jìn)晚了，否則第三棟廠房也用起來了。他滿懷信心地說：“一定把好質(zhì)量關(guān)，把IGBT做好”。沈總介紹，他今年在歐洲成立一個(gè)合資公司，斯達(dá)占70%的股份，德國占30%，注冊在瑞士，辦公在德國紐倫堡，合伙人是西門康原總工帶領(lǐng)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，寄希望將IGBT銷售歐洲。

嘉興斯達(dá)封裝的IGBT質(zhì)量不錯(cuò)，得到了用戶的認(rèn)可。但芯片和DBC等輔料還要從國外進(jìn)口，這是封裝公司的缺憾，沒有解決中國芯問題。封裝IGBT的公司還有宏微、新佳、北車等多家。

2．南車模式——從芯片到封裝
南車時(shí)代是我國電力電子行業(yè)第一個(gè)8英寸產(chǎn)線下線的企業(yè)，也是我們電力電子行業(yè)第一家從芯片開始生產(chǎn)IGBT的企業(yè)。吳煜東總經(jīng)理陪同我看了產(chǎn)線并介紹了南車的發(fā)展。

2008年，南車在歐洲金融危機(jī)時(shí)，用不到1億元收購了丹尼克斯半導(dǎo)體公司75%的股權(quán)，掌握了IGBT基礎(chǔ)技術(shù)，隨后在英國成立功率半導(dǎo)體海外研發(fā)中心，培養(yǎng)出一支掌握IGBT核心技術(shù)的團(tuán)隊(duì)。從4英寸到8英寸，僅用了6年時(shí)間，建立了完整的溝槽線寬0.35μm的IGBT產(chǎn)線，在溝槽技術(shù)、高能離子注入，超薄片加工，激光退火等關(guān)鍵工藝有了突破?？催^南車，大有中國IGBT芯片有了產(chǎn)線、有了IGBT的中國芯之感。除祝福南車，更感受南車人的敬業(yè)精神和對IGBT的赤誠，我遇到的南車人，都對南車的發(fā)展感到自豪。除南車8英寸生產(chǎn)線外，南車的資本經(jīng)營非常驚人。他們已有南車時(shí)代電氣（香港上市）、南車株洲所（香港上市）、時(shí)代新材料（A股上市）、丹尼克斯（加拿大上市）。他們脫離了鐵道部對他們的哺育，做著創(chuàng)造性的事情。當(dāng)然，IGBT的硅單晶和DBC等輔料等還要從國外進(jìn)口。

3．中科君芯模式——代工、
說起敬業(yè)精神，我總忘不了中科君芯這個(gè)團(tuán)隊(duì)。江蘇中科君芯科技有限公司是以中國科學(xué)院微電子研究所硅器件與集成技術(shù)研究室、中國物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心電力電子器件研發(fā)實(shí)驗(yàn)室為核心的研發(fā)實(shí)體。擁有7名博士，19名碩士以及從IR歸來的張杰和原微電子所朱陽軍等博士生導(dǎo)師，成立于2011年11月，秉承著“惟精惟一”的開拓創(chuàng)新精神，一直專注于IGBT芯片技術(shù)和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)。并請華潤上華、上海華虹等晶圓廠代工，研發(fā)芯片及代工封裝IGBT，據(jù)介紹，中科君芯是國內(nèi)率先也是目前唯一真正實(shí)現(xiàn)溝槽場截止技術(shù)芯片規(guī)?；慨a(chǎn)的企業(yè)。產(chǎn)品8A-150A、600-6500V系列芯片及15A～1200A系列模塊產(chǎn)品，在電磁感應(yīng)加熱，逆變焊機(jī)都有一定的應(yīng)用，產(chǎn)品與國際著名品牌性能相比無差異。在2500V壓接式，3300V焊接式/壓接式也取得重要突破。

代工是國際上產(chǎn)品通用的模式，投資少，見效快，而且可以享受代工廠的技術(shù)優(yōu)勢。

我在中科君芯的安排下，近距離的參觀了無錫華潤上華，蘇巍副總接待了我，并有問必答。上華廠投資20多億美元，是以生產(chǎn)集成電路為主業(yè)的8英寸生產(chǎn)線，有時(shí)也給IGBT代工，廠房超凈為1級。溝槽線寬0.13μm，據(jù)蘇總介紹，該生產(chǎn)線低壓產(chǎn)品可以磨到50～60μm，電鏡檢查硅片的完整度，高能離子注入按需要可以從20萬電子伏特到50萬電子伏特。芯片的背后有4層金屬，即4μmAL（鋁）～200iTi（鈦）800iNI（鎳）～800iAg（銀）。他們的優(yōu)品率可以到95%以上。看過上華生產(chǎn)線后，我想到，如果用微電子的生產(chǎn)線來代工IGBT應(yīng)該是一個(gè)非常好的舉措，蘇總講，確實(shí)為一些單位代工，生產(chǎn)出IGBT沒問題，只是可靠性不好考核。而且蘇總謙虛地說：“上海華虹的設(shè)備可能比我們還好。”我突然想起北大深圳研究生院的林信南教授給我的晶園廠名單，現(xiàn)把4英寸到12英寸69家（不包括南車和西安衛(wèi)光）晶園廠名單列出，見表4。

表4  中國大陸晶圓廠目錄

本表是按照晶圓廠業(yè)務(wù)集中微電子和電力電子兩大分支分類，其中有些晶圓廠兩方面業(yè)務(wù)都會(huì)涉及，因此標(biāo)注“微電子/電力電子”。若只是專注某一業(yè)務(wù)，則會(huì)單獨(dú)標(biāo)注“微電子”或“電力電子”。

應(yīng)該說，借微電子晶園廠之設(shè)備來生產(chǎn)IGBT是一個(gè)很好的方式。目前，除中科君芯外，斯達(dá)、宏微、新佳也在華虹、上華、先進(jìn)等微電子產(chǎn)線試制，只是因?qū)煽啃詥栴}沒有把握而沒有封裝銷售。

表5

表6

中科君芯團(tuán)隊(duì)在肖慶云總經(jīng)理的帶領(lǐng)下，已邁出堅(jiān)實(shí)的一步，今年6月。國際專業(yè)資本“華登國家”向中科君芯投資5000萬元人民幣，我去君芯之時(shí)，碰巧召開董事會(huì)，見到了董事長中國科學(xué)院微電子所葉甜春研究員，他對IGBT行業(yè)了如指掌，并對IGBT產(chǎn)業(yè)化充滿信心。

中科君芯對行業(yè)的信息非常了解，不但對南車、北車、斯達(dá)、宏微、新佳、銀茂、科達(dá)、鳳凰、賽維、長電、華天、富士通、環(huán)歐等企業(yè)了解，而且對國際IGBT的發(fā)展也很了解。在該公司，我曾聽到香港應(yīng)用科學(xué)研究院謝斌博士做IGBT封裝技術(shù)的報(bào)告；參加了日本電裝程煒濤博士座談會(huì)，使我受益不淺。

5│幾點(diǎn)信息

1．除ABB、英飛凌外，日本東芝、三菱、富士、電裝也很強(qiáng)，這四家均有專做IGBT的8英寸晶園線。深圳華能電子1990年代理日本富士IGBT時(shí)，富士即有200A/1400V的IGBT產(chǎn)品銷售。東芝生產(chǎn)的IEGT器件，已用到我國西氣東輸二線工程拖動(dòng)5200轉(zhuǎn)1.8萬KW壓縮機(jī)的變頻器中。

2．2013年半導(dǎo)體行業(yè)公司排名

根據(jù)美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）的統(tǒng)計(jì)，2013年全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)銷售額成長4.8%，達(dá)到3056億美元，首次突破3千億美元大關(guān)。

半導(dǎo)體前20強(qiáng)的銷售收入超過全球總銷售收入的75%。

3．中國半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司2013年排名

作為世界級的設(shè)計(jì)公司美國高通，2013年?duì)I業(yè)收入249億美元。而以代工為主的臺(tái)積電2013年?duì)I業(yè)收入198億美元，臺(tái)積電有6條8寸線，3條12寸線，總產(chǎn)能＞1600萬片8英寸片。A8處理器導(dǎo)入臺(tái)積電20nm新工藝。2014年臺(tái)積電全面代工iphone6中主要芯片。

4．我國微電子產(chǎn)業(yè)，中芯國際較強(qiáng)，有12英寸產(chǎn)線3條（我國有8條），分布在北京、上海、深圳；8英寸產(chǎn)線2條，分布在上海、深圳。中芯國際產(chǎn)線，線寬可達(dá)0.028μm，即28納米，國際上東芝可達(dá)16納米。

5．日本電裝（愛知縣）8英寸IGBT產(chǎn)線，芯片正面樹脂材料（電裝和信越配制），背面鋁層外鍍1.1μmN1（鎳）～0.8μmAu（金），銅散熱器壓接式封裝。省掉了DBC。電流密度400A/cm2、1200V供給豐田汽車，600A/cm2900V,供給日產(chǎn)（進(jìn)行中）。我國目前電流密度約150A/cm2。壓接式優(yōu)于焊接，是潮流。銅散熱器優(yōu)于鋁散熱器，體積小，導(dǎo)熱性能好。

6．目前我國IGBT行業(yè)使用的單晶和DBC等輔助材料多數(shù)從國外進(jìn)口。國外單晶的不均勻度約小于3%，我國天津中環(huán)環(huán)歐單晶也不錯(cuò)，不均勻度約小于5～6%。日本信越公司（白河單晶廠為大）單晶質(zhì)量很好。

7．日本富士已在深圳市福永富士工場組裝中小型IGBT模塊。日本三菱在安徽建廠。

8．多年前，ABB就生產(chǎn)IGCT，高壓大電流，ABB和西門子都裝出IGCT的高壓變頻器。近年，通過增強(qiáng)IGBT發(fā)射極端載流子濃度，東芝、三菱、日立、ABB等公司研制出高壓大電流產(chǎn)品，是從IGBT改進(jìn)的，東芝叫IEGT從理論上講，IEGT較有優(yōu)勢，成本也低。

9．關(guān)于SIC器件，請教過日本羅姆（ROHM）公司分立器件部高級經(jīng)理水原德健先生，羅姆公司是SIC器件的專業(yè)公司，主要生產(chǎn)MOSFET等汽車電子。他講：“SIC器件結(jié)溫現(xiàn)在只到200℃，主要因?yàn)檩o料問題而達(dá)不到理論結(jié)溫，我們主要做MOSFET，IGBT沒有做”?，F(xiàn)在世界上做SIC-IGBT器件的有美國克瑞（LED也屬領(lǐng)導(dǎo)地位），日本三菱，但產(chǎn)量不大，主要是市場問題，SIC的器件要比硅基器件價(jià)格高6～10倍。這種寬禁帶材料有溫度特性好、通態(tài)壓降低等優(yōu)點(diǎn)。英飛凌和富士均計(jì)劃2018年量產(chǎn)。但什么時(shí)候市場上SIC基IGBT能取代SI基IGBT，也許20年、30年，因?yàn)榻涣鳟惒诫姍C(jī)那么可靠，直流電機(jī)仍然存在；交流變頻調(diào)速那么好，直流調(diào)速仍然在用。我們還是先做好硅基器件。

王占奎介紹

最早將三墾變頻器、富士變頻器、羅賓康高壓變頻器引入中國，編著有《交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用例集》（1995年）、《變頻調(diào)速應(yīng)用百例》（1999年）兩書，現(xiàn)任中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電氣節(jié)能專業(yè)委員會(huì)秘書長。