小到智能手機(jī)、個(gè)人電腦，大到汽車輪船、飛機(jī)火箭，信息時(shí)代的快速發(fā)展對(duì)各種科技設(shè)備的芯片算力要求越來越高。而我國(guó)在算力的載體——芯片領(lǐng)域，卻一直受制于國(guó)外。數(shù)據(jù)顯示，2017年中國(guó)芯片進(jìn)口額超過2600億美元，已取代原油（原油進(jìn)口額1500億美元）成為中國(guó)第一大進(jìn)口商品。
芯片成為我國(guó)高新科技產(chǎn)業(yè)的痛點(diǎn)，甚至成為我國(guó)在國(guó)際市場(chǎng)上的“軟肋”，這一點(diǎn)從2018年年初的中興事件就可以看出，提升芯片自給自足程度已經(jīng)迫在眉睫。近日，比亞迪宣布成功研制出IGBT 4．0芯片，這件事意義有多大呢？今天一大早，一位來自上汽大眾的電驅(qū)工程師朋友就發(fā)來微信：“意義非常重大。”
什么是IGBT芯片？
IGBT全稱為絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）。說人話，IGBT芯片就像是CPU，是逆變器的核心部件，掌管著整個(gè)設(shè)備的能源變換與傳輸。不過相比電腦、手機(jī)的CPU，它能承載的功率更大，因此主要用于汽車、艦船、飛機(jī)等大型設(shè)備。
IGBT芯片的生產(chǎn)制造與CPU類似，是一個(gè)“點(diǎn)砂成金”的過程。首先將沙子加熱至熔融狀態(tài)，然后導(dǎo)入至熔爐中制造出直徑200－300mm的高純度單晶硅錠，接下來將硅錠切割成極薄的片狀晶圓，再使用光刻機(jī)在晶圓一層一層地加工出電路，最后將晶圓切割成指甲蓋大小的小塊，并封裝在殼體內(nèi)。具體的過程，大家可以觀看下方來自英特爾的科普視頻。
從砂子到晶圓再到芯片，硅的價(jià)值直線飆升。眾所周知，動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車成本最高的部件，而緊隨其后的部件就是這顆小小的IGBT芯片，它約占整車成本的5％、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本的一半。
一直以來，我國(guó)IGBT芯片嚴(yán)重依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)約90％的市場(chǎng)份額掌握在英飛凌、三菱等海外巨頭手中。近幾年，中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)在國(guó)家政策推動(dòng)及市場(chǎng)牽引下得到迅速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程加快。現(xiàn)在，比亞迪IGBT 4．0芯片無疑打破了國(guó)外技術(shù)封鎖。
其實(shí)早在2005年，比亞迪就組建IGBT研發(fā)團(tuán)隊(duì)，正式進(jìn)軍IGBT領(lǐng)域。2009年，比亞迪IGBT芯片成功通過中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)電力電子分會(huì)組織的科技成果鑒定，標(biāo)志著中國(guó)在IGBT芯片技術(shù)上實(shí)現(xiàn)零的突破，打破了國(guó)際巨頭的技術(shù)壟斷。經(jīng)過十余年耕耘，比亞迪成功研發(fā)出全新的車規(guī)級(jí)IGBT 4．0芯片，成為車規(guī)級(jí)IGBT的標(biāo)桿。目前，比亞迪已累計(jì)申請(qǐng)IGBT相關(guān)專利175件，其中授權(quán)專利114件。
生產(chǎn)IGBT芯片有多難？
答案是非常難。比亞迪的IGBT 4．0芯片晶圓切割厚度僅有120um，這是什么概念呢？大概是兩根頭發(fā)的寬度。切割出晶圓薄片后，還要在指甲蓋大小的面積上，蝕刻十幾萬乃至幾十萬個(gè)晶體管，然后還要對(duì)晶圓進(jìn)行10余道工序加工。對(duì)我們這種普通人來說了，光是想想就腦仁疼了。
令人頭疼的還不止這些，晶圓制造的廠房對(duì)潔凈度的要求也非常高，每立方英尺內(nèi)直徑超過0．5微米的微塵不能超過1個(gè)。因?yàn)橐坏┯幸粋€(gè)微塵掉落在晶圓上，就會(huì)造成一顆IGBT芯片失效，是不是又開始心疼了？
此外，汽車作為大眾級(jí)消費(fèi)品，對(duì)IGBT芯片的壽命也提出較高的要求，一般來說設(shè)計(jì)壽命要在20年以上，需要滿足使用壽命內(nèi)數(shù)十萬次甚至百萬次的功率循環(huán)要求。同時(shí)，其制造成本和價(jià)格也要控制在消費(fèi)者可以接受的范圍內(nèi)。
這還沒完，汽車面臨高溫、高濕、高振動(dòng)、頻繁啟停、爬山涉水等惡劣工況，這些都是IGBT芯片要面臨的考驗(yàn)。在這些因素的綜合影響下，車規(guī)級(jí)IGBT芯片相較于工業(yè)級(jí)，無論是技術(shù)難度、應(yīng)用場(chǎng)景，還是可靠性方面，對(duì)器件本身的要求都更為嚴(yán)苛。
但是比亞迪做到了，而且做得更好。比亞迪IGBT 4．0產(chǎn)品的綜合損耗相比當(dāng)前市場(chǎng)主流產(chǎn)品降低了約20％，使整車電耗得以降低。以全新一代唐EV為例，在其他條件不變的情況下，采用比亞迪IGBT 4．0芯片較采用當(dāng)前市場(chǎng)主流產(chǎn)品，百公里電耗減少約3％。
可靠性方面，比亞迪IGBT 4．0產(chǎn)品模塊的溫度循環(huán)壽命可以做到當(dāng)前市場(chǎng)主流產(chǎn)品的10倍以上。其電流輸出能力也比主流產(chǎn)品提升15％，支持整車具有更強(qiáng)的加速能力，所以全新一代唐DM 4．5秒的破百成績(jī)，并不是只靠提升電機(jī)功率就可以做到的。
猶如高通之于手機(jī)，英特爾之于電腦，憑借自主研發(fā)的IGBT 4．0芯片，向新而行的比亞迪欲成為全球最大的車規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)體供應(yīng)商和全球領(lǐng)導(dǎo)者。
IGBT 4．0的發(fā)布雖然沒有全新一代唐DM上市那么引人注目，但在筆者看來，其對(duì)中國(guó)新能源汽車行業(yè)的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響。艾格的設(shè)計(jì)、漢斯的調(diào)校，讓我們喜歡上比亞迪的新能源汽車，而掌握核心科技的比亞迪更加讓人熱淚盈眶。
