来自 趣事 2021-08-19 03:43 的文章

“中国英飞凌”攻海之路

 
 
 
 
2006年,株院工作人员刘从组织上接下了一项任务:攻关耐压8000V的高压晶闸管,这是国家电网特高压直流输电工程急需的一种大功率器件,被国外公司垄断。然而,由于特殊的需求模式,外方首先需要大量的研发。僵持之下,国家电网找到了株洲所。
 
这不是CRRC株机所第一次解决功率半导体领域的“卡脖子”问题。研究院成立于1959年,诞生之初,当时轨道交通系统电气化,国内产业几乎与海外国家断绝联系。没有先进的功率半导体,轨到轨电气系统就会失去心脏,无法进行功率的灵活控制。好在有主机厂的支持,株洲所自力更生,在20年的封闭技术中,完成了从功率半导体到电气系统的全链条研发。
 
这不是刘第一次肩负重任。他毕业于武汉大学半导体制造技术专业,是一位兼具物理素养和实践能力的发明家。在株洲所,他率先打造了全球半导体单元第一台电子直线加速器,带领团队突破大功率半导体领域的技术瓶颈,对工程疑难病症进行精细诊断,成长为研发骨干。
 
经过半年多的技术攻关,刘和他的团队生产出了国家电网所需的特种晶闸管。胜利的喜悦没有持续多久,更大的挑战接踵而至。
 
中国的轨道交通革命正在突飞猛进,需要一个更先进的功率半导体——IGBT。
 
IGBT是新铁路电气系统的“心脏”。在电气系统中,电就是水,而IGBT就是“大门”[1]。通过它的开关动作,可以实现电流和电压的精细控制,然后列车启动后立即将速度提升到300公里以上,到达车站前平稳减速。
 
随着高铁建设运动的蓬勃发展,中国对大功率IGBT有着强烈的需求,但由于在国内还是空白,只能进口。一辆八组标准动车组需要152个IGBT芯片,成本200万元,一万多块,而中国一年需要十几万块,价值十几亿元。
 
虽然株洲中车之前对IGBT做了一些研究,但从结构上来说,很难快速实现国产替代。
 
此时,有一个很好的机会。2008年,在金融危机的时候,掌握了IGBT关键技术的英国大功率半导体企业Dannix,由于股价暴跌,资金陷入困境,无法扩大市场。在高铁市场繁荣的中国,对于刚刚上市的CRRC株洲来说,最重要的是资本和市场。
 
因此,2008年,CRRC株院上市公司主体CRRC时代电气以约1亿元的代价收购了丹尼克斯。
 
事后看来,这应该是中国芯片行业历史上最正确的收购案例。在所有人都在喊着要做“中国英飞凌”补齐功率半导体短板的当下,CRRC株洲用收购丹尼克斯培育的内力,在最艰难的产品领域,直接与英飞凌正面交锋战场。
 
CZ株洲在三个方面树立了良好的榜样:一是建立了技术吸收引进、国外样机研发、中国工程量产的新模式;二是成功打破国外在轨道交通领域的垄断,实现对大功率IGBT的国产化替代;三是探索政府技术向民用市场转化的新路径,以轨道交通IGBT技术为基础探索电动汽车市场,利用近期的缺芯潮。
 
鉴于达能收购的历史价值和产业意义,本文将其划分为三个时间段,全面回顾CZ株洲海上一体化的经验:
 
2008年至2014年,技术引进
 
2015 ~ 2016年,本地化更换
 
2017 ~,官方转向人民
 
01技术介绍
 
收购丹妮克斯并非毫无根据。早在2007年,为了解决高铁IGBT“卡脖子”的问题,刘尤果被派往欧洲一段时间,他向最高管理层提了一个建议:收购英国的Dannix。
 
收购完成后,CRRC株洲首先确定了中英双方的分工:英国林肯工厂聚焦R&D,进行了小规模试生产,即打磨IGBT原型机;中国的株洲工厂专注于大规模生产,拥有R&D的部分地区..
 
丹尼半导体公司
 
丹尼半导体公司
 
当然,技术学习过程是由CRRC株专的中英工程师主导的。刘再次冲锋陷阵,带着30多名工程师来到英国,训练与战争相结合,进步神速。在他的建议下,研究院在英国成立了功率半导体R&D中心,国内的R&D骨干被分批派往英国参加工程师培训班。在培训的同时,IGBT轨道交通的研发也如火如荼。经过反复的实验训练,中国工程师逐渐发现了产品的高可靠性要求,并对原样机产品进行了打磨。
 
仅海外技术研究尚显不足,CRRC株机所已同步启动与国内学术界的研发合作。2011年,株洲所联合浙江大学启动轨道交通IGBT芯片02专项。在这次合作中,学术界从理论上找到了技术优化的方向,然后提交给株洲进行制造工艺的改进。
 
2012年,在基本完成技术吸收消化过程后,CZ株洲研发出耐压3300V的高压IGBT,打破了国内“卡脖子”的现状。
 
同年,株洲投资15亿元,启动建设国内首条8英寸IGBT芯片生产线。2014年6月,CRRC株机所IGBT芯片成功投产。在英国Dannix制造的大功率IGBT的基础上,株洲的量产水平提升了不少:晶圆尺寸从6英寸提升到8英寸,电路结构和封装工艺也进行了升级,与当时潜在的主流方向同步。
 
总结现阶段的技术引进过程,CRRC株机所严格遵循“引进、消化、吸收、再创新”的步骤,最终将英国IGBT芯片样机在中国投入工程。但是,需要注意的是,株洲在这个技术学习过程中自始至终都是自主的:
 
1)技术能力独立,掌握学习技术的必要基础;2)在技术团队上要独立,一方面派出国内工程师团队系统出国留学,另一方面与国内学术界合作;3)技术转让独立,工程师团队完成学业后回国,将工程能力放在株洲生产线上。
 
02本地化替代
 
2010年,在CRRC株洲所的IGBT诞生之前,中国的高压IGBT市场被三大国外巨头垄断。半导体、英飞凌、ABB占据半壁江山,国内产品占比不到30%,核心技术只有株洲掌握。
 
 
 
2011年,CRRC株洲所的IGBT进入轨道交通市场,但并没有立即打开局面,而是进入了一个相对“平静”的时期。
 
轨道交通是一个特别严格的市场。即使在轨道交通系统中,央企也不能贸然采用CRRC株洲所的高压IGBT。原因是轨道交通运营条件确实不好,所以对电气系统的核心部件提出了三点要求:
 
首先,自身运行环境中的电磁干扰非常大,需要严格控制,因此要求高压IGBT满足极高的电磁兼容性(EMC)标准;
 
然后,道口的运行空间很大,特别是在中国。早送哈尔滨,晚送广州是正常的。穿越环境温差在30℃以上。此外,还有地形等各种测试。在恶劣条件下,需要满足高可靠性;
 
最后是使用时间长,不能说跑一两年就失效,会造成很大的灾难。因此,高压IGBT的故障率也是一个重要指标。
 
初期,CRRC株洲并未构成实质性威胁,但国外厂商仍在等待。事实上,即使在宣布收购Dannix时,外国投资者也将供应中国市场的相应产品减少了20%。
 
2014年8英寸生产线投产后,CRRC株洲面临的价格战更加激烈。该产品刚要以比市场价低30%的价格推出,外商却联手降价70%。市场寡头联合起来,对后来者进行价格战,使其无利可图,最终退出市场。
 
然而,价格战愈演愈烈,CRRC株洲反而侵蚀了更多的市场份额。2014年至2016年,株洲大功率半导体在中国的市场份额从接近0增长到60%,销量每年增长2倍[2]。凭借核心部件积累的价格优势,到2016年,株洲地铁牵引系统中标率将达到77%。
 
 
 
当市场份额大幅扩大时,上市公司主体CRRC时代电气的股价在2014年至2015年间快速上涨
 
CRRC株洲轨道交通高压IGBT市场的成功源于四个因素:
 
一是下游整机应用有较强的牵引力。母公司CRRC是国内轨道交通设备的重要参与者。株洲所本身不仅制造零部件,还长期同时开发电气系统。这样,对下游需求的控制就会准确而迅速;
 
二是吸收英方技术能力后,株洲再创新能力强,可以紧密服务轨道交通;
 
第三,株洲本地的8英寸生产线,让其掌握了从设计、制造到包装的全流程。在工程能力的加持下,能够经受住国外投资者激烈的价格战;
 
第四,在可靠性要求高的核心部件市场,一般规律是买方先验证2 ~ 3年,证明产品符合要求后再下批量订单,回购率逐年递增。株洲经验证可靠后,在接下来的两三年迅速增加,正好符合这个行业规律。
 
当国内市场繁荣时,CRRC株洲将触角伸向了海外。2015年,株机所的IGBT芯片进入马铁轻轨,2016年进入印度机车市场,得到客户认可后获得新订单。可见,只要国产替代实现自主创新,在市场上的竞争力不断积累,就能打入海外市场,延续其顽强的生命力。
 
2014年至2016年,是CRRC株洲火车站轨道交通IGBT真正实现国产化替代的时期。总结株洲所与国外高压IGBT的市场较量,可以发现高端核心部件的国产化替代从来不是一蹴而就的,更符合产业规律。应该是:
 
蛰伏六年,一度惊艳,四面楚歌,杀出重围。
 
CRRC株洲最终取得实质性成绩后,不得不面对增长问题。2017年底,石济高铁投入运营,我国“四纵四横”高速铁路网建成通车。十年高铁建设运动已经结束。要持续成长,CRRC株洲将扎根新战场——整车级IGBT市场。
 
03官方到民间
 
汽车级IGBT属于汽车级芯片市场的范畴。CRRC株洲之所以能切入其中,是因为株洲在这款产品的两个核心环节有着得天独厚的优势:
 
首先,设备的工艺是产品档次的根本决定因素。在这个环节,株洲所之前有过建厂的经验。2020年,专为汽车级芯片打造的8英寸IGBT生产线投产,工艺技术升级至主流0.13微米。同时株洲引进了最新的烧结技术,提高了产品的可靠性。
 
第二,在系统应用环节,上游芯片厂与下游整机厂的磨合,决定了产品是否被正确理解,芯片产品能否被很好的定义。在这一环节,CRRC株洲既有先天禀赋,又有后天布局:
 
先天禀赋方面,株洲所适应了最困难的轨道交通市场,技术能力能够有效向电动车市场迁移,呈现下降趋势。
 
具体来说,高铁株洲所IGBT应具备丰富的传感器控制和软件仿真经验,满足最严苛的EMC等级,满足25年30万公里可靠使用的要求。少数规格会降低,这是IGBT在电动车市场的市场进入门槛。
 
在后天的努力中,株洲所延续了轨道交通市场战略,以核心部件和下游系统应用为重点,积极与海外厂商开展技术合作,在IGBT芯片——电驱下游市场进行广泛布局,熟悉应用环境,定义产品。
 
首先,2014年,株洲的子公司Dannix进入英国公司牵头的汽车电驱动系统合作研发组,开始研究混合动力系统。之后,2019年,株洲所与德国电驱动制造商豪弗成立合资公司,在无锡共同发展。
 
CRRC株洲把握两大核心环节的优势,在市场拓展上采取了与原始设备制造商合作捆绑的策略。2019年,智信半导体与东风合资成立,双方共同建设生产线。IGBT芯片下线后,首先在东风自己的车上使用,然后逐渐扩展到其他汽车厂商。
 
智信半导体厂景观
 
智信半导体厂景观
 
这种市场策略比较保守,但对于大多数A级及以上的汽车厂商来说是最安全的。在英飞凌掌握了IGBT大部分电动车的市场供应的背景下,要更换,车辆段首先要小批量验证其可靠性,保证产量足够高,故障率足够低,然后才能逐步增加数量。
 
然而,突如其来的缺芯危机加速了本土化和替代化的进程。
 
对于中国的电动汽车厂商,尤其是很多供应链谈判能力较弱的新势力厂商,英飞凌不承诺交付周期,定价居高不下,汽车厂商不得不向市场上的经销商扫货。
 
CZ株洲所顺势进入市场,凭借比英飞凌低30%的价格优势、保底交付优势和合作度高的定制化服务优势,赢得了理想和小鹏汽车厂商的青睐,被引入中高端电动车市场。
 
04结局
 
CRRC株洲所在的高端IGBT市场的成功,无疑是芯片行业国有产业的一个优秀范例。
 
在一般人的印象中,国有工业企业人才流失严重,技术追赶能力不足。出海研发销售是神话。然而,2008年,CRRC株洲卷入一桩价值仅1亿元的英国M&A案,让公司奇迹般地走在了中国功率半导体行业的前列。
 
与近年来频频耗资数十亿的海外M&A案相比,丹妮克斯半导体的M&A案微不足道,只有九根牛一毛。
 
然而,CRRC株机所的中国工程师们在十几年的时间里,用自己的勤奋和智慧,将自己的价值放大了数百倍。这充分证明,在芯片产业面临巨大挑战的新时代,中国国有产业仍能证明其工程和再创新的巨大价值。
 
要做到这一点,关键是让有使命感的工程师和发明家带领有技术能力的企业,沿着坚定的产业政策勇往直前。