IGBT研发历程 - 比亚迪潜心13年掌控又一核心技术

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  • 雷锋网
  • 2018-12-14 18:19

比亚迪的产业报国绝不是一句口号。IGBT技术的重大突破,让中国的电动车拥有了"中国芯"。12月10日,宁波下起了蒙蒙细雨,从市区乘车出发,大约1个小时后,车辆缓缓驶入宁波保税区庐山西路155号。院内矗立着一座外观并不起眼的老式大楼,它是比亚迪的又一重量级核心技术生产基地——宁波比亚迪半导体有限公司,主要负责IGBT芯片的晶圆设计及制造。

由于地位特殊,这里第一次接待如此多的人参观。与之前参观过的很多车间和研发部门相比,宁波比亚迪的保密和防尘级别都提高了不止一个档次。从头到脚穿戴好各种防护设备,经过2道风淋门,终于进入到最核心的晶圆车间之内。工作人员告诉我们,晶圆对生产环境的洁净度要求极高,这座车间的无尘等级为一级,也是半导体行业的最高等级,换句话说,车间每立方英尺(0.0283立方米)空间中,直径超过0.5微米的微尘离子不能超过1个。因为,如果有一个零点几微米的微尘掉落在晶圆上,就会造成一颗IGBT芯片失效。

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带有通风孔的车间地板下面是空气过滤系统,室内始终保持着恒定的温度和湿度。晶圆制造的用水要经过20多层净化达到超纯水级别。车间内存有大量备用水和应急发电机,随时应对停水停电的突发情况。晶圆生产所需的光刻机需要放在特制的防震台上,避免受到路过车辆、甚至人的脚步产生的振动影响。为了防震,这座工厂的地基还打到岩石层。

在这里生产的产品是一种采用硅作为基础材料的半导体芯片,由于组合成品的外形类似于一张光盘,所以被称为晶圆。晶圆的生产流程非常复杂,以SiC(碳化硅)为例,先要将碳化硅粉末加工成类似于钢锭的晶锭,然后切成薄薄的碳化片,之后经过光刻、蚀刻、离子注入等十几道工序,一片晶圆制作完成。宁波比亚迪生产的晶圆厚度最薄可以做到120um(约两根头发丝直径),这个数字在1200V车规级IGBT芯片厚度上处于全球领先水平。每一个IGBT芯片仅有人的指甲大小,要在其上蚀刻十几万乃至几十万的微观结构电路,在晶圆的产品分析中,需要用到倍率高达50万倍的扫描电子显微镜进行。在每片晶圆上,根据大小不同有数十个到上百个IGBT芯片,这些芯片根据用途不同,可以制作成不同的车用IGBT模块,安装到各类电动车上。

结束了不到1个小时的参观,走出宁波比亚迪车间的大门。至少从制造工艺上,让我直观理解到为什么IGBT技术一直难以突破。从2005年比亚迪组建研发团队正式进军IGBT领域算起,到如今在技术上能够与德国、日本三分天下,过去了足足13年。

IBGT为什么是新能源车核心中的核心

参观当晚,比亚迪举行了IGBT核心技术解析会,将比亚迪13年来走过的历程、取得的成果进行了全面展示。这次解析会,更像是一堂IGBT科普会。比亚迪的几位技术负责人尽量用最简单直观的语言让专业的内容听起来不那么枯燥,而在场的观众也在认真倾听并努力去理解有关IGBT的内容。一场解析会下来,可能包括我在内的很多人都会感叹,IGBT这个我们平常在新能源汽车上并不注意的元器件,对于车辆性能本身、对于中国新能源汽车行业的发展,原来如此重要。

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纯电动客车常用的IGBT模块

如果不是专门从事微电子或相关行业的人,估计很少人能准确说出IGBT的中文全称。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种绝缘栅双极晶体管芯片,这种功率半导体器件的主要作用是电能的变换与传输,广泛应用于轨道交通、工业、航空航天、新能源汽车等。

IGBT之所以被称为新能源汽车最核心的技术,因为它直接影响电动车功率的释放速度。纯电动或者混合动力汽车上的IGBT直接控制着放电时的直、交流电转换,决定驱动系统的扭矩(直接影响加速能力)、最大输出功率(直接影响最高时速),以及车辆的电能损耗(直接影响续驶里程)等,所以被称为电力电子装置的"CPU"。

据悉,比亚迪最新研发的IGBT4.0产品的综合损耗相比当前市场主流产品降低约20%,以采用比亚迪IGBT4.0的全新一代唐为例,在其他条件不变的情况下,百公里电耗下降约3%。通常一辆纯电动客车上会采用两块IGBT模块,对于日常运营里程更长的纯电动客车来说,电能的节约更为可观。

IGBT研发既烧钱又烧时间

一直以来,人们把新能源汽车的核心称为三电,即电机、电池与电控,而IGBT则是电控系统的核心器件,堪称核心中的核心。此外,除了电控系统,汽车转向助力、空调以及直流充电桩,都需要用到IGBT。而相关数据显示,中国IGBT市场长期被国际巨头垄断,90%的市场供应来自于英飞凌、三菱等海外巨头。中国自主研发的IGBT为何落后于欧洲、日本,其中的原因很简单:技术难、投资大、周期长、人才缺。通俗点说,IGBT不但涉及海量烧钱的应用技术,还有众多烧钱烧时间的材料技术。

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IGBT研发历程展示

作为此次技术解析会的嘉宾,中国电器工业协会电力电子分会秘书长蔚红旗见证了比亚迪IGBT的发展进程:从2009年9月比亚迪IGBT芯片通过中国电器工业协会电力电子分会组织的科技成果鉴定,标志着中国在IGBT芯片技术上实现零的突破,到如今研发出第三代半导体材料SiC(碳化硅)芯片,成为国内技术标杆,蔚红旗感慨地说:比亚迪是认认真真、扎扎实实在做IGBT,所以才有了今天这样的成就。IGBT不是靠烧钱就能够实现突破的,即使砸100个亿下去,短时间内也不会有结果。

在场的另一位嘉宾,中国半导体行业协会IC设计分会副理事长周生明表达了同样的观点,比亚迪在IGBT核心技术的突破,不是今天想投入就能实现的,是积累了十多年的技术、人才和产业链共同的结果。他认为,比亚迪做IGBT有得天独厚的条件,自己拥有完整的产业链,在这个最大的应用市场,可以充分施展拳脚。

目前,比亚迪是国内唯一一家拥有IGBT完整产业链的车企:包含IGBT材料研发、芯片设计、晶圆制造、模块设计与制造,整车应用等。比亚迪第六事业部产品总监杨钦耀是最早参与IGBT研发的工程师,他说,应用端拉动非常重要,特别是IGBT这种关键元器件的研发,没有应用端的拉动,很难实现产业化。

一次不被看好的收购再次展示了前瞻性布局

承担IGBT研发制造的部门是比亚迪的第六事业部(比亚迪微电子),主要承担着集成电路及功率器件的开发、整合性晶圆制造服务的生产任务。现有员工2300余人,在深圳、宁波拥有两大生产基地。其中,宁波比亚迪是比亚迪2008年斥资1.71亿元收购宁波中纬后注册成立的子公司。比亚迪当时收购这家企业的目的,就是为了突破IGBT技术。在运营初期由于出现亏损,宁波比亚迪一度不被外界看好,当时一些媒体也对比亚迪的这一收购发出质疑。

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第三代半导体材料SiC(碳化硅)芯片

时间是最好的答案,10年里,比亚迪打破了欧洲、日本的技术垄断,将IGBT技术从1.0迭代到4.0,这时,人们再次看到了比亚迪掌门人王传福的远见卓识。以当时的环境来看,王传福的确是一个有眼光的人。2008年正值全球金融危机,很多企业都在业务收缩,而在别人都不看好的情况下,比亚迪收购了因破产拍卖的宁波中纬。这次布局,既是源于一个企业家的战略眼光,也来自于一位技术型领军者突破核心技术的迫切愿望。

电动"中国芯"愿景背后的意义

截至11月,比亚迪的IGBT累计装车已经超过50万辆,市场反馈良好。比亚迪第六事业部兼太阳能事业部总经理陈刚表示:随着中国具备自主知识产权的IGBT产品实现量产,现在可以很自豪地说,在这个领域中国可以与德国、日本三分天下。

比亚迪认为,IGBT在未来3-5年将成为制约新能源汽车发展的主要瓶颈之一:不仅是因为成本,更因为产能不足导致的交货周期延长。根据富昌电子(Future Electronics LTD)的统计:2018年,应用于新能源汽车的IGBT模块的交货周期最长已达到52周(正常情况下为8-12周)。预计2018-2022年全球新能源汽车产量年复合增长率达30%,但同期车规级IGBT产量的年复合增长率仅为15.7%。

对此陈刚表示,今年年底比亚迪IGBT晶圆的产能将扩大到月产5万片,如果一辆车用一片,相当于供应5万辆车的产能。比亚迪规划的下一步产能是,到2020年月产10万片晶圆,每年可供应120万辆车装车。

不仅供应自身的整车,从明年开始比亚迪将有一部分IGBT对外供应。为了更开放地支持外部客户,比亚迪不只从产能上做准备,在技术上也在做准备。据比亚迪第六事业部高级研发经理吴海平介绍:比亚迪车自己用的IGBT大部分为1200V规格,而大部分整车厂商用的是600-750V规格,比亚迪正在同步开发600V-750V产品,预计明年一季度可以正式进行认证。

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比亚迪对外发布的在功率半导体领域的愿景与规划是,成为全球最大的车规级功率半导体供应商,立志使比亚迪功率半导体芯片在新能源汽车上的应用,如高通之于手机、英特尔之于电脑。对于整个新能源汽车行业来说,我们需要这样有志向的企业,如果不能摆脱关键技术受制于人的境况,即使有再大的产销量也没有实质意义。


来源:雷锋网作者:摘编编辑:leilei

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