刘国友：攻克“卡脖子”难题引领大功率半导体技术进击

文 / 庞贝 郑声宇

2023年伊始，有消息传出，美国将对华为实施全面封锁，彻底断绝美供应商向华为提供任何产品。无论这一消息是否空穴来风，都显现出我国在芯片领域仍处弱势地位。

但在IGBT（绝缘栅双极晶体管）领域，有分析指出，国内在芯片设计、晶圆制造、模块封装等整个产业链基本都已有布局。整体来看，中国IGBT产业链正逐步具备国产替代能力。

刘国友，中车科学家，新型功率半导体器件国家重点实验室常务副主任，长期从事功率半导体基础研究、前沿技术探索、关键技术攻关、产业化与工程应用，主持研制了首只6英寸特高压直流输电晶闸管；率先突破了高铁IGBT芯片关键技术，引领8英寸高压IGBT芯片产业化；主持研制了全球最大容量600A/4500V IGBT芯片、最高功率密度3600A/4500V压接封装IGBT模块。在高压IGBT、超大功率晶闸管和SiC等 “卡脖子”芯片技术领域实现自立自强，支撑了高铁、高压直流输电和新能源等高端装备技术创新与自主可控，并拓展到“双碳”目标下能源与交通等广泛应用领域。

以下，我们以刘国友团队作为创新样本，来回顾国产大功率半导体技术进击之路。

突破6英寸高压晶闸管支撑特高压技术晋级

21世纪，我国步入经济发展快车道，能源的区域分布不平衡问题日益突出。我国虽然幅员辽阔，但76%的煤炭资源在北部和西北部，80%的水能资源在西南部，而70%以上的能源需求则在中东部。为了协调这种时空上的不平衡，解决电力长距离、跨地区传输问题，我国大力发展特高压工程。可喜的是，经过国家多年的鼓励与扶植，在全行业的共同努力下，我国特高压输电水平已达世界领先地位。

所谓“全行业”，当然不单指电力人，这其中还有芯片人的不懈奋斗。

2005年底国家电网带着任务找到了株洲电力机车研究所（以下简称“株洲所”）：攻关耐压为8000V的6英寸高压晶闸管。晶闸管（Thyristor）又称作可控硅整流器，是一种大功率开关型半导体器件，具有导通损耗低、功率容量大的优势，在电力系统、工业装备和脉冲电源中应用广泛。高压晶闸管是国家电网特高压直流输电项目急需的一种大功率器件，被国外垄断，因需求型号特殊，外方要求先行支付巨额研发经费。僵持之下，国家电网找到株洲所。

刘国友临危受命，担纲高压直流输电晶闸管项目。在6英寸晶闸管芯片设计与工艺研究上，他发明铝杂质转移扩散工艺，优化P型杂质和电场分布，强化基区电导调制；研发多杂质补偿扩散工艺，抑制大尺寸硅片高温变形；突破芯片双负角台面造型、葫芦串腐蚀和钝化保护关键技术；开发高能电子辐照技术，精准调控静态参数与动态特性，突破大尺寸、高电压晶闸管关键技术。

他首创了6英寸高压晶闸管防爆全压接技术。主持研究开发新型全压接结构，攻克因大尺寸、封装材料热膨胀系数失配而引起的芯片损伤和性能退化带来的封装技术难题；发明防爆封装结构，能有效吸收、减缓芯片失效时爆炸能量释放；突破了大尺寸芯片封装及其应用可靠性关键技术。

作为负责人，他主持了“大尺寸半导体器件研发与产业化”建设项目技术工作，研究开发特高压直流输电6英寸晶闸管检验成套技术，建成国内外容量最大、试验能力最强的特高压直流输电（UHVDC）晶闸管检验检测中心，构建了自主化高压晶闸管设计、制造、试验完整技术体系，建成国内首条具有国际先进水平的6英寸8500V特高压直流晶闸管生产线。

全球首只6英寸4000A/8000V特高压直流晶闸管，就这样在他手中诞生。国家电网相关专家鉴定认为“打破国外公司在这一技术领域的垄断地位，促进国内功率半导体器件技术进步和特高压直流输电产业的发展，具有重大的战略意义”。

在此基础上，他与团队设计优化了新一代超大容量6英寸5000A/8500V高压晶闸管，先后制造了10万余只特高压直流输电晶闸管，支撑了国内外20余个高压直流工程，并走出国门，为巴西美丽山特高压直流输电项目提供了工程所需6000余只6英寸晶闸管，实现了晶闸管技术从跟跑到全球领先，获评国家“制造业单项冠军产品”称号。“特大功率电力电子器件技术研发及推广应用”获2010年国家科技进步奖二等奖。

推动IGBT原始创新实现高端装备自立自强

IGBT芯片是轨道交通领域的主流器件，主要负责将电能转换为列车动力，并控制列车牵引功率与速度。其面临极端应用载荷与运行工况，耐受电压高、电流容量大、开关速度快，是电力电子技术核心基础器件，被誉为驱动机车牵引电传动系统的“高铁之心”。但我国IGBT芯片长期依赖进口，使得我国高铁等高端装备产业受制于人。

2008年国际金融危机，英国大功率半导体企业丹尼克斯面临资金困境。中车株洲所的上市公司主体中车时代电气并购丹尼克斯，踏上IGBT产业化征程。

如何在丹尼克斯基础上快速提升IGBT技术与制造能力，满足轨道交通应用需求，特别是如何实现有竞争力的自主可控，对于刚进IGBT领域的中车时代电气来说面临巨大挑战。

作为派驻英国负责技术与产业整合的先遣队员，刘国友提议创建海外功率半导体研发中心，掌握新型功率半导体技术创新的主动权。2010年5月，中车株洲所在英国林肯成立功率半导体研发中心（以下简称“中心”）。

在公司支持下，他主持制定中心的使命愿景、体系构架、研究方向，搭建人才团队，组织跟踪国际先进技术、开展功率半导体基础与前沿共性技术研究。

作为国内首个功率半导体海外研发基地，中心吸引了50余名功率半导体设计、工艺和应用工程师，聚焦新一代高功率密度 IGBT、SiC 芯片与模块新技术、新材料、新工艺，肩负中国 IGBT 技术突破与产业化的重大使命，不仅在攻克IGBT关键核心技术、推动IGBT技术进步与产业化等方面发挥了巨大作用，而且在孕育IGBT技术研发与产业化创新团队、创建新型功率半导体器件国家重点实验室等方面也发挥了独特优势。

自2008年刘国友主持IGBT技术攻关以来，他和团队攻克了高耐压、低损耗、高可靠性的技术瓶颈，首创以高能氢离子注入为核心的低温缓冲层技术，一举突破IGBT芯片背面工艺难题，形成了自立自强的高压IGBT技术体系；研发8英寸IGBT芯片深结、厚膜、深槽和薄片成套特色工艺，自主设计、设备定制与系统集成，建成全球首条8英寸高压IGBT生产线，实现全流程智能制造与数字化，引领8英寸高压IGBT制造技术进步，被评为2014年中国半导体十大新闻事件，“它的诞生到应用，已彻底打破国外高端IGBT技术垄断，实现从研发、制造到应用的完全国产化”。

除轨道交通应用外，IGBT也在很多关键领域应用。压接封装是面向更大容量、能满足高压串联应用的新型封装架构，是柔性直流输电和新型电力系统核心器件。在这一领域，日本东芝和瑞士ABB长期垄断了国内外市场。

面向国家战略和重大工程需求，刘国友于2010年主持开展压接封装IGBT技术研究，独辟蹊径，突破了以自适应压力均衡机制为核心的柔性压装技术。首创高压IGBT元胞大规模集成及其开关同步控制技术与芯片力学增强一体化子模组结构；独创方形陶瓷金属密封、自适应压力均衡压接封装结构，使外壳台面利用率提升20%，功率密度达到40kVA/cm2，比国外同类产品提升37%，突破了芯片均压、均流和功率密度技术瓶颈，实现了全球功率密度最高的3600A/4500V超大容量压接封装。

3600A/4500V压接型IGBT模块，打破国外技术封锁并达到世界领先水平，成功应用到张北直流电网、乌东德和白鹤滩等重大柔性直流输电标志性工程，累计实现产值23.1亿元，助力国家能源转型和新型电力系统建设，支撑了我国大容量输电技术从传统直流到新一代柔性直流的跨越发展。“柔性电网用大容量压接封装IGBT关键技术及应用”获2021年度湖南省技术发明一等奖、湖南专利奖特别奖、中国专利银奖。

汽车制造业的转型升级也带来了IGBT应用市场的“井喷”。相比于传统汽车，新能源汽车的生产需要用到的芯片可达到500~800个，有的甚至超过1000个。

降低 IGBT 芯片损耗、提高功率密度和可靠性，始终是 IGBT 芯片技术一个主攻方向，尤其是对于乘用车这样的高温、高湿、高振动的应用环境，体积和重量要求特别严格，功率密度和可靠性是考量汽车 IGBT 模块性能的主要参数。

刘国友主持了沟槽栅IGBT基础前沿技术研究。克服制造设备薄弱环节，发明了嵌入式发射极（RET）精细沟槽IGBT结构，取得美国发明专利，实现芯片结构亚微米级精细化的突破，大幅降低IGBT及FRD动、静态损耗，并解决FRD小电流震荡问题；解决高功率密度汽车IGBT模块紧凑布局设计与高可靠性之间的矛盾问题，降低端子面积以增强衬板设计灵活性的同时保证端子焊接牢固、可靠；支撑系列汽车级高电流密度芯片及模块产品开发并实现产业化；实现国产IGBT产品在电动汽车领域160kW及以上高端应用场景的突破，打破国外产品与技术的长期垄断；保障我国新能源汽车IGBT芯片的自主、安全、可控，推动国内新能源汽车产业的快速、可持续发展，提升了国产器件在汽车IGBT领域的话语权。

他负责了“新能源汽车用IGBT”“汽车IGBT研发与试制能力建设”等国家重大产业化项目实施，2020 年9月自主建成了一条以国际一流的第六代IGBT技术为基础的 8 英寸、月产 2 万片汽车级 IGBT芯片生产线，形成汽车级芯片设计、制造、封装与测试等全套能力，为持续开展芯片精细化和功能集成技术提供了一个先进技术平台，满足年产 240 万台新能源汽车应用需要，有力支撑我国新能源汽车产业的蓬勃发展，为我国汽车工业提供新动力。“车规级高电流密度精细沟槽IGBT开发与应用”获2021年中车科学技术奖特等奖。

经过十余年坚持不懈的努力，团队设计、开发了全系列IGBT芯片，综合性能达到国际先进水平，通态损耗、关断能力和短路特性等方面优于国外同类产品，实现了650V－6500V 8英寸IGBT芯片产业化，打破国外长期封锁与垄断，自主IGBT已占国内轨道交通市场60%、新能源汽车市场20%，实现了我国 IGBT 技术从无到有、IGBT产业由弱到强的历史性跨越。其中“高压大电流IGBT关键技术及应用”获2019年国家技术发明奖二等奖。

8英寸高压IGBT芯片下线仪式

发挥行业辐射功能推动产业生态圈建设

基于功率半导体海外研发中心、IGBT技术研发与产业化国家重点领域创新团队和新型功率半导体器件国家重点实验室等技术平台，刘国友团队通过开放性的技术交流与产学研合作，提高行业影响力。先后与剑桥大学、诺丁汉大学、欧洲电力电子中心（ECPE）、中科院微电子所、清华大学、电子科大、湖南大学等国内外知名高校与科研机构建立了长期合作，共同开展 IGBT技术研究，成功申报多项国家和省部级重大课题与政府合作项目等。通过学术交流和相互启迪，开阔视野，掌握新知，催生新思想、新观点和新方法。团队累计发表学术论文150 余篇，开展技术演讲与学术交流 110 余次，扩大了学术影响力。

十余年来，研发硕果累累，团队人才辈出。承担了国家 02 专项、“863”、国家重点研发计划、国家发改委专项等 20余项国家级项目，培养与引进了包括 2 名国家“千人计划”专家、2 名国家“万人计划”专家、 3名“湖湘百人”和 “湖湘英才”等一大批高端人才；推动大功率晶闸管、IGCT、IGBT和SiC技术融通创新和产业协同发展，示范引领了国内功率半导体技术进步，支撑了中车功率半导体技术发展与产品的更新换代。“中车IGBT技术研发与产业化创新团队”获2021年中国电子学会创新团队奖。

基于中车功率半导体创新平台与产业化基地，他们组建了“功率半导体行业联盟”，定期举办国际学术论坛和产业战略论坛，推动行业技术进步、标准制定和产业生态建设。

技术与市场双轮驱动，打造自主、安全、可控的功率半导体产业生态圈，方能推动功率半导体材料、装备、器件和应用产业的快速发展，提高行业整体技术水平与产业竞争力，支撑高铁、智能电网等高端装备制造业和新能源、电动汽车等战略性新兴产业的可持续发展，实现真正意义上的芯片自主。