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十年磨一剑:比亚迪发布IGBT 4.0“中国芯”

2018-12-17

小到智能手机、个人电脑,大到汽车轮船、飞机火箭,信息时代的快速发展对各种科技设备的芯片算力要求越来越高。而我国在算力的载体——芯片领域,却一直受制于国外。数据显示,2017年中国芯片进口额超过2600亿美元,已取代原油(原油进口额1500亿美元)成为中国第一大进口商品。

芯片成为我国高新科技产业的痛点,甚至成为我国在国际市场上的“软肋”,这一点从2018年年初的中兴事件就可以看出,提升芯片自给自足程度已经迫在眉睫。近日,比亚迪宣布成功研制出IGBT 4.0芯片,这件事意义有多大呢?今天一大早,一位来自上汽大众的电驱工程师朋友就发来微信:“意义非常重大。”

什么是IGBT芯片?

IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)。说人话,IGBT芯片就像是CPU,是逆变器的核心部件,掌管着整个设备的能源变换与传输。不过相比电脑、手机的CPU,它能承载的功率更大,因此主要用于汽车、舰船、飞机等大型设备。

IGBT芯片的生产制造与CPU类似,是一个“点砂成金”的过程。首先将沙子加热至熔融状态,然后导入至熔炉中制造出直径200-300mm的高纯度单晶硅锭,接下来将硅锭切割成极薄的片状晶圆,再使用光刻机在晶圆一层一层地加工出电路,最后将晶圆切割成指甲盖大小的小块,并封装在壳体内。具体的过程,大家可以观看下方来自英特尔的科普视频。

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从砂子到晶圆再到芯片,硅的价值直线飙升。众所周知,动力电池是电动汽车成本最高的部件,而紧随其后的部件就是这颗小小的IGBT芯片,它约占整车成本的5%、电机驱动系统成本的一半。

一直以来,我国IGBT芯片严重依赖进口,国内约90%的市场份额掌握在英飞凌、三菱等海外巨头手中。近几年,中国集成电路产业在国家政策推动及市场牵引下得到迅速发展,国产化进程加快。现在,比亚迪IGBT 4.0芯片无疑打破了国外技术封锁。

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其实早在2005年,比亚迪就组建IGBT研发团队,正式进军IGBT领域。2009年,比亚迪IGBT芯片成功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,打破了国际巨头的技术垄断。经过十余年耕耘,比亚迪成功研发出全新的车规级IGBT 4.0芯片,成为车规级IGBT的标杆。目前,比亚迪已累计申请IGBT相关专利175件,其中授权专利114件。

生产IGBT芯片有多难?

答案是非常难。比亚迪的IGBT 4.0芯片晶圆切割厚度仅有120um,这是什么概念呢?大概是两根头发的宽度。切割出晶圆薄片后,还要在指甲盖大小的面积上,蚀刻十几万乃至几十万个晶体管,然后还要对晶圆进行10余道工序加工。对我们这种普通人来说了,光是想想就脑仁疼了。

令人头疼的还不止这些,晶圆制造的厂房对洁净度的要求也非常高,每立方英尺内直径超过0.5微米的微尘不能超过1个。因为一旦有一个微尘掉落在晶圆上,就会造成一颗IGBT芯片失效,是不是又开始心疼了?

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此外,汽车作为大众级消费品,对IGBT芯片的寿命也提出较高的要求,一般来说设计寿命要在20年以上,需要满足使用寿命内数十万次甚至百万次的功率循环要求。同时,其制造成本和价格也要控制在消费者可以接受的范围内。

这还没完,汽车面临高温、高湿、高振动、频繁启停、爬山涉水等恶劣工况,这些都是IGBT芯片要面临的考验。在这些因素的综合影响下,车规级IGBT芯片相较于工业级,无论是技术难度、应用场景,还是可靠性方面,对器件本身的要求都更为严苛。

但是比亚迪做到了,而且做得更好。比亚迪IGBT 4.0产品的综合损耗相比当前市场主流产品降低了约20%,使整车电耗得以降低。以全新一代唐EV为例,在其他条件不变的情况下,采用比亚迪IGBT 4.0芯片较采用当前市场主流产品,百公里电耗减少约3%。

可靠性方面,比亚迪IGBT 4.0产品模块的温度循环寿命可以做到当前市场主流产品的10倍以上。其电流输出能力也比主流产品提升15%,支持整车具有更强的加速能力,所以全新一代唐DM 4.5秒的破百成绩,并不是只靠提升电机功率就可以做到的。

犹如高通之于手机,英特尔之于电脑,凭借自主研发的IGBT 4.0芯片,向新而行的比亚迪欲成为全球最大的车规级功率半导体供应商和全球领导者。

IGBT 4.0的发布虽然没有全新一代唐DM上市那么引人注目,但在笔者看来,其对中国新能源汽车行业的发展有着深远的影响。艾格的设计、汉斯的调校,让我们喜欢上比亚迪的新能源汽车,而掌握核心科技的比亚迪更加让人热泪盈眶。