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

1│序言
    我國半導體研究始于1956年，當時我國提出“向科學進軍”，國家制定了發展各門尖端科學的“十二年科學技術發展遠景規劃”，把半導體技術列為國家四大緊急措施之一，中國科學院應用物理研究所舉辦半導體器件短期培訓，請回國的半導體專家黃昆、吳錫九、黃敞、林蘭英、王守武、成眾志等講授半導體理論、晶體管制造技術和半導體線路。國家決定由北京大學、復旦大學、吉林大學、廈門大學、南開大學五所大學開設半導體物理專業，由著名教授黃昆（北京大學）、謝希德（復旦大學）、高鼎三（吉林大學）授課。1957年有第一批畢業生，其中有現成為科學院院士的王陽元（北京大學）、工程院院士的許居衍（華晶集團公司）、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出來。

    我國硅基電力電子器件隨著頻率器件而發展，歸屬一機部北京電器科學院第六研究室（后內遷西安整流器研究所）當屬最早的研制硅電力電子器件群體，當時有硅整流器、硅晶閘管，快速硅晶閘管，逆導硅晶閘管，可關斷硅晶閘管、雙向硅晶閘管等課題。許多設計上的成果，許多工藝上的突破，許多老一代科技工作者的貢獻……俱往矣。現在看到了一個全國電力電子行業，我跟隨了這個行業50年（1964年分配到北京電器院六室），看到了行業的發展過程。

    為接近準確描繪我國現在硅基器件的發展狀況，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）林信南（北京大學深圳研究生院）、吳濟鈞（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。于近期到嘉興斯達半導體、南車8英寸線，中科君芯、華潤上華8英寸線等參觀學習，他們都給了許多指導與幫助。

2│硅整流器、硅晶閘管完全滿足裝備我國工業的能力
    在硅基電力電子器件以前，曾有過一個短暫的水銀整流器的過程，如蘇聯援建的156項工程中的西安電力整流器廠就有一段時間生產水銀整流器。由于缺點多而被硅器件取代，按著世界硅器件發展年譜，硅器件的發展如表1：

表1世界硅器件發展幾個階段的代表器件

    硅基電力電子器件研制中，曾經的努力，成功與挫折，奠定了中國電力電子行業的基礎。從六十年代起，開始不斷地裝備我國工業，如發電、機械、冶金、礦山、石油、石化、紡織、印染、造紙、印刷、醫藥、食品、農機、激光、汽車、軌道交通、艦船、航空航天等領域，硅基電力電子器件的品種型號不斷擴大，阻斷特性不斷提高。

    如結溫已提高到125℃、150℃、175℃，甚至一些低壓雪崩器件，結溫標準已達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合資生產變頻器，年銷售額已超過50億元。改革開放以后，在市場經濟的大潮中，涌現出不少高素質的電力電子企業，有的上市（南車、臺基、楊杰、九洲、合康、匯川、英威騰）；有的發展很快（斯達、宏微、藍海華騰）。產品向模塊化、智能化發展，外商已經采購中國的元器件和裝置。

3│5英寸、6英寸硅晶閘管已達到國際先進水平
    值得高興的是，5英寸、6英寸硅晶閘管已達到國際先進水平。5英寸、6英寸硅晶閘管是硅晶閘管的王冠，代表了企業實力、國家水平。西安電力電子技術研究所和南車時代先后量產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。除為我國節省大量外匯外，也提高了我國硅基電力電子器件的話語權。征得西安電力電子技術研究所的同意，將該所5英寸、6英寸鑒定成果和直流輸電工程業績納入表2、表3。

    南車時代電力電子事業部生產的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已經量產并逐步占領市場
    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，估計我國目前超過100億元人民幣，變頻器一項可超過60億元人民幣，變頻行業的市場估計有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，因為成本中有一臺特種變壓器）如果把各種AC-DC、DC-DC、DC-AC電源、風電變流器、光伏發電的逆變器、高鐵、動車、地鐵及SVC、SVG等用的IGBT統計起來，市場值將超過100億元人民幣。過去，這個市場全部由英飛凌、ABB、富士、三菱、東芝等外國公司控制。近幾年，由于嘉興斯達、江蘇宏微、威海新佳、南車時代等采用后道工藝封裝，占領了不到10億的市場，但芯片仍從國外進口，因而中國芯問題是IGBT量產的核心問題。2014年6月報導南車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  西安派瑞功率半導體變流技術有限公司（西安電力電子技術研究所）高壓直流輸電用大功率晶閘管鑒定驗收情況

表3  西安派瑞功率半導體變流技術有限公司（西安電力電子技術研究所）直流輸電項目業績表

    筆者近幾月到IGBT生產單位參觀學習，歸結我國現在IGBT的產業化有三種模式：

1．斯達模式——封裝
    嘉興斯達是目前我國IGBT封裝企業銷量最大的公司。2014年計劃銷售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，沈華總經理接待了我們，沈總講6月份出貨5000萬元。我和張總都看到：嘉興斯達發展得不錯，有了自己的三棟廠房、進口了滿足封裝要求的關鍵設備和檢測設備，有了超凈和純水及液氮等條件設施，已經有了半導體工廠的樣子；固定資產已經有2.8億元人民幣。沈華總經理講設備進晚了，否則第三棟廠房也用起來了。他滿懷信心地說：“一定把好質量關，把IGBT做好”。沈總介紹，他今年在歐洲成立一個合資公司，斯達占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的一個團隊，寄希望將IGBT銷售歐洲。

    嘉興斯達封裝的IGBT質量不錯，得到了用戶的認可。但芯片和DBC等輔料還要從國外進口，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
    南車時代是我國電力電子行業第一個8英寸產線下線的企業，也是我們電力電子行業第一家從芯片開始生產IGBT的企業。吳煜東總經理陪同我看了產線并介紹了南車的發展。

    2008年，南車在歐洲金融危機時，用不到1億元收購了丹尼克斯半導體公司75%的股權，掌握了IGBT基礎技術，隨后在英國成立功率半導體海外研發中心，培養出一支掌握IGBT核心技術的團隊。從4英寸到8英寸，僅用了6年時間，建立了完整的溝槽線寬0.35μm的IGBT產線，在溝槽技術、高能離子注入，超薄片加工，激光退火等關鍵工藝有了突破。看過南車，大有中國IGBT芯片有了產線、有了IGBT的中國芯之感。除祝福南車，更感受南車人的敬業精神和對IGBT的赤誠，我遇到的南車人，都對南車的發展感到自豪。除南車8英寸生產線外，南車的資本經營非常驚人。他們已有南車時代電氣（香港上市）、南車株洲所（香港上市）、時代新材料（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，做著創造性的事情。當然，IGBT的硅單晶和DBC等輔料等還要從國外進口。

3．中科君芯模式——代工、
    說起敬業精神，我總忘不了中科君芯這個團隊。江蘇中科君芯科技有限公司是以中國科學院微電子研究所硅器件與集成技術研究室、中國物聯網研究發展中心電力電子器件研發實驗室為核心的研發實體。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師，成立于2011年11月，秉承著“惟精惟一”的開拓創新精神，一直專注于IGBT芯片技術和產品的設計開發。并請華潤上華、上海華虹等晶圓廠代工，研發芯片及代工封裝IGBT，據介紹，中科君芯是國內率先也是目前唯一真正實現溝槽場截止技術芯片規模化量產的企業。產品8A-150A、600-6500V系列芯片及15A～1200A系列模塊產品，在電磁感應加熱，逆變焊機都有一定的應用，產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。

    代工是國際上產品通用的模式，投資少，見效快，而且可以享受代工廠的技術優勢。

    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，是以生產集成電路為主業的8英寸生產線，有時也給IGBT代工，廠房超凈為1級。溝槽線寬0.13μm，據蘇總介紹，該生產線低壓產品可以磨到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）。他們的優品率可以到95%以上。看過上華生產線后，我想到，如果用微電子的生產線來代工IGBT應該是一個非常好的舉措，蘇總講，確實為一些單位代工，生產出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，現把4英寸到12英寸69家（不包括南車和西安衛光）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務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務都會涉及，因此標注“微電子/電力電子”。若只是專注某一業務，則會單獨標注“微電子”或“電力電子”。

    應該說，借微電子晶園廠之設備來生產IGBT是一個很好的方式。目前，除中科君芯外，斯達、宏微、新佳也在華虹、上華、先進等微電子產線試制，只是因對可靠性問題沒有把握而沒有封裝銷售。

表5

表6

    中科君芯團隊在肖慶云總經理的帶領下，已邁出堅實的一步，今年6月。國際專業資本“華登國家”向中科君芯投資5000萬元人民幣，我去君芯之時，碰巧召開董事會，見到了董事長中國科學院微電子所葉甜春研究員，他對IGBT行業了如指掌，并對IGBT產業化充滿信心。

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

5│幾點信息
    1．除ABB、英飛凌外，日本東芝、三菱、富士、電裝也很強，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，富士即有200A/1400V的IGBT產品銷售。東芝生產的IEGT器件，已用到我國西氣東輸二線工程拖動5200轉1.8萬KW壓縮機的變頻器中。

    2．2013年半導體行業公司排名

    根據美國半導體產業協會（SIA）的統計，2013年全球半導體產業銷售額成長4.8%，達到3056億美元，首次突破3千億美元大關。

    半導體前20強的銷售收入超過全球總銷售收入的75%。

    3．中國半導體設計公司2013年排名

    作為世界級的設計公司美國高通，2013年營業收入249億美元。而以代工為主的臺積電2013年營業收入198億美元，臺積電有6條8寸線，3條12寸線，總產能＞1600萬片8英寸片。A8處理器導入臺積電20nm新工藝。2014年臺積電全面代工iphone6中主要芯片。

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

    5．日本電裝（愛知縣）8英寸IGBT產線，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（進行中）。我國目前電流密度約150A/cm2。壓接式優于焊接，是潮流。銅散熱器優于鋁散熱器，體積小，導熱性能好。

    6．目前我國IGBT行業使用的單晶和DBC等輔助材料多數從國外進口。國外單晶的不均勻度約小于3%，我國天津中環環歐單晶也不錯，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IGBT發射極端載流子濃度，東芝、三菱、日立、ABB等公司研制出高壓大電流產品，是從IGBT改進的，東芝叫IEGT從理論上講，IEGT較有優勢，成本也低。

    9．關于SIC器件，請教過日本羅姆（ROHM）公司分立器件部高級經理水原德健先生，羅姆公司是SIC器件的專業公司，主要生產MOSFET等汽車電子。他講：“SIC器件結溫現在只到200℃，主要因為輔料問題而達不到理論結溫，我們主要做MOSFET，IGBT沒有做”。現在世界上做SIC-IGBT器件的有美國克瑞（LED也屬領導地位），日本三菱，但產量不大，主要是市場問題，SIC的器件要比硅基器件價格高6～10倍。這種寬禁帶材料有溫度特性好、通態壓降低等優點。英飛凌和富士均計劃2018年量產。但什么時候市場上SIC基IGBT能取代SI基IGBT，也許20年、30年，因為交流異步電機那么可靠，直流電機仍然存在；交流變頻調速那么好，直流調速仍然在用。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《交流變頻調速技術應用例集》（1995年）、《變頻調速應用百例》（1999年）兩書，現任中國電工技術學會電氣節能專業委員會秘書長。