历经125年的ABB开创性技术之旅·第六站——溯至源头电力电子：ABB伦茨堡半导体工厂_ABB_ABB伦茨堡半导体工厂

历经125年的ABB开创性技术之旅·第六站——溯至源头电力电子：ABB伦茨堡半导体工厂

2016/10/8 16:47:26

2016年10月3日，中国媒体团终于来到ABB创新源头——伦茨堡半导体工厂，作为中国工业最为薄弱的环节，两相比较，心情久久难以平静。

ABB瑞士高级技术销售专家Dr.chen做了半导体生产流程及主要工艺，带领媒体团参观了生产车间。Dr.chen本人是业内知名专家，拥有多项专利技术，对于半导体的认识有非常独到的角度和分析。因此，这站行程将Dr.chen的讲话全程录音并做了相应整理，希望能对业内有所裨益。Dr.chen说，非常希望国内的厂商联系ABB，进行更为深入、紧密的合作。

第一部分：现场讲解录音整理

我姓陈，叫Makan，福建省厦门人，哈尔滨工业大学毕业，英国谢菲尔德博士毕业，剑桥博士后，之后在ABB全球研发总部负责过高温超导的研究项目，8年抗战。2004年我正式到了ABB半导体，先后负责了生产技术、采购技术，现在负责亚太地区的市场开发和战略的一些探讨。这也是我目前做的事情。

首先，再次热烈欢迎大家到ABB来访问，特别是到ABB半导体来访问。今天由我来介绍，有问题随时可以提出来。如果没有，等到参观的时候也可以提出来，参观完大家有针对性的问题我们可以再探讨一下。

我介绍一下ABB半导体的情况。ABB半导体在行业里面已经有了60多年的历史，也是全球最早的工艺半导体的企业，如果我们仔细看一下，ABB在电力电子上面，在1913年开始做汞弧（水银蒸汽），你们刚才进来的时候应该看到一个黑咕隆咚特大的东西，这是当时第一代的电力电子，用汞弧来做大型的工艺开关。

从这儿一直开始，到了1938年，我们第一次把汞弧用到了机车上面，这是全世界第一例。在1939年，第一次把它用到我们现在家喻户晓的高压直流和特高压上面，但当时只是在一般的经典型或者是传统型高压直流的输电上。在50年代，1954年，这应该是全世界第一只工业半导体，当时是二极管出现了。

高压直流之后用到机车上面，1981年这个地方正式动土，那边的厂建了晶闸管生产基地，1988年大家都知道，是ABB由BCC和阿西亚合并的那一年。90年代末研究出了大型的ITCT，这是功率特别大的可关断的器件，一会儿我们会看到。

2010年的时候，ABB集团在瑞士投入了2亿美元，这是最大的一次投资，把我们的产能翻了番。所以，我们一会儿要看到的就是一个虽然规模不是最大的但是很现代化的一个大功率半导体的企业生产基地。

这是ABB半导体本部，我们在2009年收购了一个在捷克的工厂，为了应对国内迅速发展的需要，我们在北京也成立了一个技术支持中心，主要负责采购和市场的一些支持。这是所谓的工艺半导体，假设是这么大的一个金字塔，这是180亿美元左右的市场。可是，里面很大的一块市场是手机充电器，这个不是我们做的，ABB目前处在这个小的尖上，事实上是比较小的一部分，但是这是功率很大的。

ABB半导体负责研发、设计、制备和销售。我们这个市场指的是在大功率半导体上，泛泛地讲就是1200伏以上、300安培以上，这样的器件就叫功率半导体，这就是ABB所在的领域。这个工厂扩容之后是很先进的半导体制造基地，年产40万只半导体器件。这是6英寸的晶闸管，是用在国网首个特高压换流阀里面最终核心的元件，这个和国内有一些合作关系，5公斤。这个是用在国内的动车和机车上面，如果你们愿意，你们可以传着看，但是很沉。

我们年产40万只（半导体器件），在功率、电流、电压和城际功率上在世界上都是多次刷新了记录和一直保持着记录的。我们在对应的市场里面占有的份额大概是20%左右。目前能够有这些比较好的记录的都来自于我们的团队，我们的团队来自40个国籍，目前这个地方总共是600个员工，55个博士毕业生，我们的研发团队大概是60人左右，可以看出来这是一个高技术的企业。

另外一点，我们不仅仅只是做器件的，ABB作为一个全球很有名的技术领先的企业，又有研发，又有生产，这里指的是器件的生产，当然器件还要研发。还有器件的应用，这是很独特的，就是我们内部有客户。可以看出来，这是前瞻性的研发中心，我原来在那待过8年的团队。图中这个工厂是专门拿着我们器件做应用的，比如做裂变器，做阀；瑞典还有一个厂用我们的器件做高压直流设备的。另外，这个是我们在捷克的一个分工厂。

所以很重要的一点是我们在整个产业链上都紧密地连在一起，这样才有可能在做半导体的时候有针对性地开发这样的器件，知道市场需要什么。

我们的销售模式多数是有直接的客户，更多的是通过我们分布在30多个国家的代理商实现的，我们提供产品，提供技术支持，具体的市场是我们的分销商替我们做的。

看一下我们生产40多万只的东西是什么，可以看到是晶闸管、二极管、可关断的GTO，大家如果在10年前读经常会读到GTO的事，然后是比较新的，IGBT是GTO的下一代，功率更大、性能更好，就是功率二极管，整流二极管。还有各种小尺寸的晶闸管和二极管。所以，这个是属于晶闸管这部分的，我们一会儿应该也会参观一下。

IGBT，大家听到功率半导体，现在会经常听到IGBT。我们有这样小块的芯片。然后是做模块，正好是62毫米那么一个宽度。还有压接式的模块，这个东西我们在国内，配合国内项目一直在做这个工作。

这些功率半导体都有什么用呢？大概可以分成这么四大块，应该说最传统的是在输配电上面，高压直流或者是柔性输电上面的应用。再下来是工业上面的应用，工业传动、软启动，比如说你在电梯上能够慢慢地转起来，不是一下子就转起来的，这就是软启动的功能。在焊接方面，建筑业方面，很需要把钢筋焊到一起，或者是汽车工业上面的自动化焊接，都是用的这些器件。

感应加热，或者是电源，比如说核电站万一外面断了电，如何保证能够让核电站的控制系统继续供热，这就是UPS。当然整流大家都比较熟悉了。再下来就是牵引方面的应用；在动车上面，包括地铁，在机车上面和高铁，然后就是城轨方面的应用，现在国内是欣欣向荣，越来越多；更新的是再生能源，风电、蓄水、储能，还有太阳能上面，主要是在这四个方面的应用。

这里面电动汽车我觉得应该放在这个地方，没有写电动汽车。这是往后10年很大的一个增长点，就是电动汽车方面。

简单介绍一下半导体是什么东西，事实上它就是一个开关，唯一的跟这个开关不同的它是个固态开关，所以，它不会在这里产生电弧。它1秒钟能够开100到1万次的频率，任何机械开关都做不到，所以这是半导体很简单的一个原理，它能够在固态的没有产生电弧的情况下进行高频的开和关，这就是半导体。它基于不同的设计又会产生不同的半导体，用在不同的地方。

像我们说的6英寸晶闸管，它就管开通，打通的时候，它的压降就特别低，不怎么散热，但是它不管，它关不断，必须等电流回流的时候它自己关断，有时候你需要这种器件的时候你用它是特别好的，没有别的比它更好了，但是如果你需要任何时候都关掉，你就用IGCT，或者是用IGBT，但是不同的器件用在不同的地方能够体现出它最好的优势。

再说一下50赫兹，快的可能到10千赫兹。它主要的功能是它从一个频率变成另一个频率，这就是变频。有了半导体，你就可以做变频。这是更多的变频。发电是这样的变频，输电的是这样的变频，用电的又是这样的变频。

在风电上面，这个就比较有挑战性了，因为你不知道风机什么时候转、转多快，所以它出来的频率一直是变频的频率，但是这个电输到网里到你家的时候必须是50赫兹的，所以这是变频的。

在动车上面，我们小时候火车启动的时候是振动挺大的，现在为什么不震了？就是因为有这个变频，有IGBT的功能或者是IGCT的功能，它可以从零速度慢慢到了一定的速度，你觉得坐在那很舒服，有东西在推着你，但是你不觉得振得慌，这就是IGBT能做到的。所以，你在车站的时候经常能听到声音，这就是变频的过程，从1赫兹一直到几百赫兹，对顾客来说，他就坐在那觉得很舒服，很平稳。

做一个简单的解释。都说半导体，那么功率半导体和一般的半导体有什么区别？一般的半导体是平面的，就是电从上表面进去，从上表面出来。像英特尔芯片都是这样的东西。所以，它要在这个表面上做文章的时候，它要切得很细很细，才能把信息的密度增加了，这里面有无数多的开关在这里。

所以说功率半导体来，它只需要实现一个功能，变通地进去，从下出来，该出来就让他出来，不该出来，观望的时候，他就不会出来。但是他的作战要求整个面积一个开关统一行动，不能开小差，如果有的地方出现了缺陷，那就报废了，所以这是最大的一个挑战。

这里面是无数的小开关在里面，所以现在它要做到几纳米粗细的线。对我们来说，就是一个大的开关，电流从这儿进去，从那出来，也是很有挑战的。如果任何一个地方出现了个故障，就没有办法了，整个就不能工作了。

简单介绍一下它的制备过程，这是最原始的材料，晶元，大概是1毫米左右的厚度，高纯度的，我们一会儿会看到。我们做原材料，进到我们的工厂里面，首先这是所谓的前道、后道，前道是要经过200个到300个步骤，大概3个月的时间，这样出来就成了这样的半导体。这是既有半导体功能了，但是还没有办法用，因为它还不是一个真的器件，电子没法接，也没法控制，所以，它还不是个器件，只是一个芯片，下一步把它的芯片封装成可以有的器件，你可以看到这里面加是电再一控制，加电压，电流就可以通或者可以不通。

这也是一样的，电流从这儿进去，从这儿出来。这是电极。这是IGCT，所谓的驱动器，意味着它要有很大的电流，才能把它开和关掉，这是电流型的，所以必须给它集成成这样的东西。这是一个6英寸的晶闸管。

我们要记住的是它的生产过程很复杂，要经过200到300个步骤，最后才能有成品出来。可以想象，如果每个步骤出点差错，你经过200个步骤，可能就不剩东西了。这里面事实上是半导体做一个行业和科研上的最大的区别。这是这两三百个步骤应该走的。这是我们工厂的图，有时候要来回走好几次。

说一下我们国内在基础建设上面的一些支持，这里面特地举两个例子，在高铁上，在大直流上，这个应该是国网的第一个从向家坝-上海第一个特高压直流。

我们一直是支持国内的这些基础建设的，在合作伙伴上，我们还有两家很重要的合作伙伴。第一家是在高铁上面，在机车上面是跟原来的北车永济，我们跟他们有些合作。

接下来是针对大直流方面的合作，跟西安电力电子研究所有超过15年的合作了。包括国网第一条特高压直流输电的实现也是和他们一起合作的。

我就介绍这么多，如果有问题，我们可以简单地聊一下，然后就去参观工厂。

第二部分：以下为参观中介绍及问答

问：您说到整个金字塔的市场是180亿美元，ABB做顶上那个小尖头大功率，那个有多大？

答：十分之一吧。

问：一个换流站需要多少晶圆？比如说向家坝到上海那个用了多少个？

答：用在输电项目的两端，向家坝2800，上海2800。分解之后，就会变成很粗糙的金属硅，黑的，就是这个颜色的。再做进一步的处理，就可以成为纯的单晶硅或者是准单晶硅。这时候你要切开抛光之后，就是你加太阳能那样上面的东西，你可以看到花纹很漂亮，那就是多晶硅，只要你看到有花纹，就是多晶硅。那个就是这个单晶硅的原材料。所以，当年太阳能电池蓬勃发展的时候，我们买不到原材料，就这样一个很简单的产业链的关系。高纯度的多晶硅经过这个区域熔融之后，就出来了大概最早是几英寸，现在是6英寸到8英寸的单晶硅，对我们来说，单晶硅意味着什么？在10的12次方上出一个缺陷。10的12次方的原子里面可以允许出一个缺陷，这叫高纯度的单晶硅，10的12次方，那是12个0。就说这么多。原材料是这样。对后续的要求也差不多是这样。

硅，如果你可以加上一个锂原子，或者是它周围的原子，就是10的12次方，这个水平上你可以随便加。下来就是晶格，刚才说的单晶硅、多晶硅。它的晶格是很标准的，10的12次方里面也许有一个是错位的。

这是按照它的整个生产程序来做的。这里是ABB自己设计的测试台，我们不仅会照半导体，还得会照测试台，这是个完整的产业链。这个测试台，芯片过来之后，刚才我们过来看桌子上的芯片到这儿它自动检测，好的，让它过去，不好的点上一个点，你们可以看到上面是有点点的。是整15个测试。这台电脑上能看到它有15个测试项目。芯片这一批50只进去之后它挨个自己就测，测完之后就推出来，再把下一批放进去，这是自动化的测试。

我想给大家先做一个演示，这就是净化车间的概念。这个是十级的，也就是说1立方英尺里面有10个0.5微米的颗粒，不管什么颗粒，只要颗粒存在，这就是十级的净化车间。当然，对半导体来说的话越少越好，因为这些颗粒可能就意味着缺陷，它要座落在单晶硅上面，一会儿我们就知道它肯定是缺陷，因为半导体说到底就是一个暗示成像的一个过程，我们如果有照相爱好者，就很容易能够理解这个事。比如说你的脸上如果有个东西，你的底片上有个0.5厘米的点，出来之后你的照片上就会有，这对芯片来说就是缺陷。这就是为什么半导体要在无尘室里面制作。这里面是十级的。

最干净的一个地方是一级的，很小的，我们也看不到。这个是一般的无尘室。我们在国内参观大部分的净化车间大概就是这样的，1000到10000个颗粒。

问：多晶硅太阳能生产电池片的那个？

答：那个可能接近这个吧。

这个对应的是瑞士的空气，我们现在呼吸的空气就是这个空气。一张嘴，好多小颗粒。北京的可能在这个左右吧。所以，无尘室最关键的一个东西必须是净化车间，净化车间怎么实现的？第一，有一个偏振压可以确保脏的空气不会进去，第二所有工人都得穿上这个（防护服），保护的不是工人，保护的是我们半导体，因为身体会产生很多颗粒，等出来的时候再出来。

这个是四层的一个结构，几大半导体车间的特征，我跟大家介绍一下。只有这层有用，上面那层是净化和保证气体垂直地穿过这个空间到地底下，这样有颗粒都会以最快的速度沉到下面去，不会在这里面飞来飞去，没有飘浮的过程。

底下是储存室、机房两层。还有一点，这个车间整个是一个篮子吊着，我们在这儿踩对它没有影响，整个是个防震的车间。什么原因呢？因为这个半导体我们可以想象，有很多要光刻跟暗室成像的，它的要求是在微米级的，如果在曝光过程中一振，那图片就不清晰了，出来的东西就不是你要的东西了，所以，就这么几个主要性能。

这边看到的都是一些化学药品处理的地方，这里要做到的是用的药品什么时候用，什么时候抽上来，用完马上送下去，让它在这上面没有化学药品。

这个是到了全道的最后一道了。你们可以看到这些设备，每个设备都是超过好几百万瑞郎的。这个是做什么用的？单晶硅最后你做成芯片之后，要给它金属化，保证电能够导电，就在高真空的情况下，把金属铝蒸发上去。

这是底下两层的内容。这里面想说的是我们一年要用这么多的气体，我们一年用电是核电站一天的发电量，所以一个核电站也就能供360个这样的产能。我们可以看到它把芯片只要拿下来，这个就是十级的，你可以看到芯片做上去，差不多。这是贴膜，已经贴好了。

问：因为国内的过街天桥上有贴手机膜的。

答：现在没有了，很少找到了。就说无尘室的一个比较有特征的设计方式的是净化车间、净化走廊和灰尘走廊，这是工程师来的地方，对设备进行维修的地方，这是芯片不到的地方，所以这里面也就是1100级的，因为你做十级也没有用，它的设备在运转过程中肯定要产生颗粒。这是无尘的，这是净化的走廊。

这个就是比较有名的，这个车间叫做曝光的车间，为什么是黄的光，黄的光对芯片、对光感材料不敏感，光感材料对黄光不敏感，但是，对我们人来说，这个光是可见光，是有用的，如果没有这个光，那功能就不知道怎么操作了。这个光感材料它是对紫外线敏感，这就两全其美了，功能可以在这个光下进行操作。

这里面做的是什么？在这里面做曝光。我们刚才说的200多个步骤里面，一个芯片200个步骤，其中有10个步骤是要到这里面来的，它要在这里面走10趟，出去之后，它进行完整的流程过后，再回来，这整个过程是什么？在单晶硅上面，由原来一个高纯度的单晶硅进行有序的搀杂，一层一层的搀杂，10次就做10次的搀杂，最后成为一个有用的半导体。

刚才我说到了暗室照相，一模一样，就是那么一个过程，如果我们往这边看，我想给大家讲一下这整个过程，事实上比较好看，你们都是半导体的专家，这是单晶硅，来的时候，我们给它升一下温，做一个氧化处理，单晶硅氧化完之后就是二氧化硅，二氧化硅就是这个玻璃，是有用的。

在上面，涂上一层很薄的光感材料，这是对紫外光敏感的光感材料，所以我们就知道要照相了。放上一个模板，刚才那个老兄放的贴膜也叫模板，这就是模板，对我们照相来说就是底板。这时候有结构，所以紫外线一闪，就有的有，有的没有。有的你给他放到有机溶剂里面，它就溶解掉了，这个结构就在光感膜上出现了。下一个就是如何在这上面有一样的结构。我们都学过氢氟酸对这个玻璃是很好用的，下一步就把它放到氢氟酸里面，马上这层玻璃就没了，结构就在这一层上得到体现了，这个问题越来越好办了，就是我没地方站了。

我们到了这儿，这时候就可以开始搀杂了，你要什么原子，就通过高能的那个靶打到这上面来，这些直接就到这儿了。这里有这么一个保护，所以它就留在这上面，过不去。这是我们要的。做到这一步你就知道好了，我这个单晶硅再也不是单晶的，这里面是搀过杂的，当然，这只是表面很薄的一层，我如何给它扩散到深一点，给它放到炉子里面去，1250度的时候，这个就往里扩散了，原子就扩散了。这个就完成任务了。先别到这儿来，这个就是这个。那么，这个重新再氧化一层，回来重新走一步，第二步出来就到这儿了，一步步的，十几次之后，就有了这个结构。整个光刻就是这么来的。

我们看到，最关键的是你如何保证每部成品率是在99%以上，不然200步之后就什么也没有了。

问：就是说它下一次重复的时候，精准的仍然是在那个位置，重复了200次以后得到的？

答：这是在微米级别上的，当然，英特尔是在纳米级别上的，当然那个错了，你可以给它绕过去，没事，这个错了，你绕不过去。也不是说不出错，肯定要出错的，所以，我们每个芯片做完之后都要测一测，测完了，再切成小方块再测。为什么做这些事？如果它不好，我们干脆就不用切了。这个半导体的整个流程也是，只要出缺陷，你在第一时间给它回绝掉，不然剩下做的就是白做工。大概是这么一个运营的原理。所以这个芯片在离开车间之前已经被测过两次了，确保出去的是好的。

问：再进来的时候是可以进行下一步？

答：对。我们一会儿还能看到高温的炉子，1250度的。

这就是高温扩散炉，全世界大概就这一家是最有名的，这个就是芯片装进去的炉管，必须是高纯度的，如果它在高温产生杂质，你的芯片就是一马勺坏一锅了。

这边就是好的芯片到了这儿来进行封装。半导体的封装最大的挑战是散热，因为半导体肯定不是好的导体，不是绝对的导体，是半导体，所以它在导的过程中要产生很多热，所以要把热散掉。第二，它又是要阻断电压，所以一定要绝缘，电压绝缘，这都很矛盾的事。第三，该导电的地方导电性能还得很好。再下来，因为产生热量，你再给它散热的话，它也会有温升，你这个器件在西伯利亚零下50度的时候，你到了四川，又热又潮的，到了50度，这个芯片必须能够承受的。单一材料是可以承受的，但是当你把这些材料都捆绑到一起做成复合材料的时候，膨胀系数、热胀冷缩的应力就会起到很大的作用，所以说这个对整个封装的设计是很有挑战的，又要散热，又要绝缘，又要导热，还要导电，热胀冷缩系数还要匹配，这是很麻烦的一个事，但是确实要做到。

目前比较成熟的用来跟IGBT配套的就是氮化铝的一种精密陶瓷，它的热胀冷缩、膨胀系数跟硅算比较接近的，所以导热性能特别好，绝缘性能也特别好，我们拿了这个之后，先打了一个标，这是它的出生证，起到什么作用呢？你20年前做的产品，你今天要回去跟踪它，你还能找到谁做的，哪天用哪个设备做的，这是跟踪性，一定要有的，不然就没有办法提高，如果有故障了，你不知道怎么去解释，当时怎么排查，这都没有办法做，大功率半导体一定要做这个东西，而且是真的你能查到这是谁做的，这是可跟踪性很强，追溯性很强。

这时候，有了这个，你就把它的芯片，比如标准的是2倍的IGBT和1倍的二极管，放6个放到这上面，用锡焊，焊完之后，我想这就是一样的，在上面给它加上一层固化剂，基酰亚胺，它这个材料有什么好处，提高绝缘性能，而且能够保护铝丝的机电稳定性。所以，先涂上一层，然后就可以开始建合，每根铝丝大概能导10到20安培的电流，所以足够足够了，别看它很细。我们看到的这个芯片是50安培的芯片。这是25安培的芯片。事实上3根线就足够了。

再下来，我们刚才说了基酰亚胺吊在上面再给它涂上，涂上之后，它的温度疲劳的性能，功率循环性能提高10倍。就这么一个颜色区别。

这时候就可以测试了，因为这里可以接触到了，这是电极，这也是控制的，加上电压，这里面加上信号，它就可以通，可不通。这是第一次测试，测试完了之后，再拿6个，加上端子，这是最后的电极的端子，和外面可以接到电机上面的，电容上面，6个好的一起焊，如果这里面有坏的你放进去了，其他的就一起扔了就算了，所以一定要测一测。整个原子出现缺陷，第一时间不要让它在里面站着了，滥竽充数是没有用的。

这个焊完后，然后加上外壳，加上外壳之后就可以灌上硅胶，我们刚才说了，一定要绝缘，空气绝缘不太够，特别是潮湿的空气，那是不绝缘的，所以灌上硅胶，灌上硅胶，再加上外壳，就成了，就可以测了，测完就可以用了。

问：是哪里最容易出现这个坏的环节呢？

答：第一个环节是芯片的环节，因为这200个步骤，在这儿手工接触多的地方，理论上讲你可以自动化，但是这种完全是商业行为，你在运作的时候，人工便宜，还是自动化便宜？这是MBA的理论，这跟技术没有关系。我想大家一定要看一下，如果你们离开之后，唯一要留下的就是这台设备。这是测试一条龙，芯片封装成小单元之后，我们刚才看的6个小芯片放在那上面，这个我们叫做子单元或者是小单元，IGBT的，在这儿同时做高温、低温、动态、静态测试，一直测完就知道这个小单元是好的还是坏的，好的它自动归类入库，它会安排你下次要开始封装模块的时候，你说我要封装20个，它就自动给你找哪个配哪个最好。所以这个设备是ABB半导体自己设计的，别人做的，我们自己设计的。

问：特高压输电还是用这种吗？

答：用这种。现在都到12GT了。这是11005500，就会用这样的。

问：所以咱们从昌吉到古泉，1100千伏的，就是用的这个？

答：对，订单刚到。

问：用多少个？

答：不说了。这是世界上唯一几个光荣退役回来，完成40年工作寿命回来，光荣退役的，还是好的。这是全世界最早的一个，在欧洲。

问：您说的那个是十几个立方米的？

答：这边是一千级的。这个现在没有再进行中。这个6个小单元拿到这儿之后，通过这台焊接炉过来，就实现了第二次的焊接，接下来就可以罩上外壳灌硅胶了，刚才说的就是这个东西。这些设备都是我们跟供应商一起设计出来的。

问：因为必须符合我们的工艺流程和要求。

答：对。IGBT就参观结束了，如果我们还想继续看，我就带你们看一下晶闸管的东西。

这是第一代，下来有了第二代，特高压上面就开始出现了第二代，现在可能又要出现下一代。

问：费用是越来越高还是越来越低的？