值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。根据Yole预测数据, 2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将达到20亿美元,2019-2025年复合年均增长率高达12%! 其中,军工和通信基站设备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模分别为11.1亿美元和7.31亿美元
全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将达到25.62亿美元,2019- 2025年复合年均增长率高达30%! 其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模分别为15.53亿美元和3.14亿美元。
本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与国内外该领域知名半导体厂商进行探讨解析。
20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是由第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。
然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通信设备因为市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。
在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。
笔者注意到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在 “高效”、“降耗”、“突破极限” 等核心关键词上。
安森美中国汽车OEM技术负责人吴桐博士 告诉笔者: “第三代半导体优异的材料特性可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的方向。” 他表示随着第三代半导体技术的普及,传统成熟的行业设计都会有突破点和优化的空间。
英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛 则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。 在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。
第三代半导体材料区别于前两代半导体材料最大的区别就在于带隙的不同。 第一代半导体材料属于间接带隙,窄带隙第二代半导体材料属于直接带隙,同样也是窄带隙二第三代半导体材料则是全组分直接带隙,宽禁带。
和前两代半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。
随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特性(Eg>2.3eV)的新兴半导体材料相继出现,世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。具体来看:
与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特性 :
1.耐高压 :击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地 提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗
2.耐高温 :半导体器件在较高的温度下,会产生载流子的本征激发现象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化
3.高频性能 :碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。
氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。 尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用,还可制备成氮化镓基激光器在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事 或者民用领域氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源损耗。
半导体行业有个说法: “一代材料,一代技术,一代产业” ,在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。
第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装。 其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。
前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体材料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。
从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率” 。首先碳化硅单晶制备目前最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺才能成为衬底材料。
这一机械、化学制造过程存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。此外,如果再加上考虑单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且晶片表面质量(粗糙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的巨大挑战。
此外,碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料,材料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延长工具寿命、提高加工质量,往往会采用微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅材料制备的整体生产效率。
对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延材料需匹配”的难题 。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很难得到大尺寸的氮化镓单晶材料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,比如蓝宝石、AlN、SiC和Si材料衬底来替代氮化镓器件的衬底。
但问题是这些异质衬底材料和氮化镓之间的晶格失配和热失配非常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延材料需匹配的难点。
在落地到利用第三代半导体材料去解决具体问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程, 英飞凌的碳化硅器件所采用的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。
比如现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。
如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。
吴桐博士则从产业化的角度提出, 第三代半导体技术的难点在于有关设计技术和量产能力的协调,以及对长期可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要持续性的优化,降低成本,提升可靠性。
观察当前半导体市场可以发现,占据市场九成以上的份额的主流产品依然是硅基芯片。
但近些年来,“摩尔定律面临失效危机”的声音不绝于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不断接近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不断上升。
业界也因此不断发出质疑,未来芯片的发展极限到底在哪,一旦硅基芯片达到极限点,又该从哪个方向下手寻求芯片效能的提升呢?笔者通过采访发现,国内外厂商在面对这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。
“目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献,” 程文涛也为笔者描述了当前市场上的一种现象:可能会存在一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体。因为那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。
以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体 ,程文涛表示:“至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”
作为中国碳化硅功率器件产业化的倡导者之一,泰科天润同样也表示对第三代半导体产业发展的看好。
虽然碳化硅单价目前比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。如果是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。 这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。
从器件的角度来看,碳化硅从四寸过度到六寸,未来往八寸甚至十二寸发展,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润介绍,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产品,有些产品实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多成功开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平不变的情况下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产品。
泰科天润还告诉笔者:“这两年随着国外友商的缺货或涨价,比如一些高压硅器件,这些领域已经出现碳化硅取代硅的现象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产技术的成熟,8寸晶圆的发展,碳化硅器件有望与硅基器件达到相同的价格水平。”
吴桐博士认为, 目前来看在不同的细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。
那么对于企业而言,该如何发挥第三代半导体的综合优势呢?吴桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳定的供应链,可长期规划的产能布局以及达到客观的投资回报率其次是在技术研发上继续发力,比如Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功能,这样单个器件成本得以优化第三是持续地提升FE/BE良率,等效的降低成本第四是与行业大客户共同开发定义新产品,保证竞争力以及稳定的供需关系最后也是重要的一点,要帮助行业共同成长,蛋糕做大,产能做强,才能使得单价有进一步下降的空间。
第三代半导体产业究竟掀起了多大的风口?根据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。
其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增长至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增长至608.21亿元,年复合增速为91.73%。
得益于第三代半导体材料的优良特性,它在 光电子、电力电子、通讯射频 等领域尤为适用。具体来看:
光电子器件 包括发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通信领域,场景包括半导体照明、智能照明、光纤通信、光无线通信、激光显示、高密度存储、光复印打印、紫外预警等
电力电子器件 包括碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包括消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等
微波射频器件 包括HEMT(高电子迁移率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通信领域,不过场景则更加高端,包括通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。
现阶段,欧美日韩等国第三代半导体企业已形成规模化优势,占据全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体发展,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项,大力支持第三代半导体技术和产业发展。
早在2014年,工信部发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业发展,促进工业转型升级,同时鼓励社会各类风险投资和股权投资基金进入集成电路领域在去年全国人大发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新发展。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。
具体来看当前主要应用领域的发展情况:
1.新能源汽车
新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势明朗。随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的经济增长点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品, 由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。
2.光伏
光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过40多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点,将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。
3.轨道交通
未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。
4.智能电网
目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。
第三代半导体自从在2021年被列入十四五规划后,相关概念持续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。
时常会听到业内说法称,第三代半导体国内外都是同一起跑线出发,目前大家差距相对不大,整个产业发展仍处于爆发前的“抢跑”阶段,对国内而言第三代半导体材料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗?
从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利布局,比如 英飞凌一直走在碳化硅技术的最前沿,从30年前(1992年)开始包含碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年发布了世界上第一款商业化碳化硅功率二极管 ,此后至今英飞凌不断推出了各种性能优异的碳化硅功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。
安森美也是第三代半导体产业布局中的佼佼者,据笔者了解, 安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳定。同时借助安森美多年的技术积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的技术补充,安森美的碳化硅技术已经进入第三代,综合性能在业界处于领先地位 。目前已成为世界上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包括碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。
具体到技术上, 北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波 也曾提出,国内第三代半导体和国际上差距比较大,其中很重要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流技术,二极管已经发展到了第五代,三极管也发展到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。
另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包括罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观国内,目前真正量产的主要还是碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估计到明年才能实现规模量产,车规级碳化硅模块要等待更长时间才能量产。
泰科天润也直言,国内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度, 国产碳化硅二极管基本上水平和国外差距不大,但是碳化硅MOSFET国内外差距还是有至少1-2代的差距 可靠性方面,国外碳化硅产品市场应用推广较早,积累了更加丰富的应用经验,对产品可靠性的认知,定义以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,国内厂家也在推广市场的过程中逐步积累相关经验产业链方面,国外厂家针对碳化硅的材料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能更加契合的体现碳化硅的材料优势。
OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月底已经接到上亿元销售订单。 作为国内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产经验,针对特定领域可以结合自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品 ,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。
虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。
就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面国内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。 山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能 均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。
此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优秀的企业,包括 三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体 等等。
OFweek维科网·电子工程认为,随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。
上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通信等旺盛市场需求, 我国第三代半导体产业也开始由“导入期”向“成长期”过渡,初步形成从材料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体技术水平还落后世界顶尖水平好几年,因此在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。
当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的关键期,第三代半导体产业作为新一代电子信息技术中的重点组成部分,为能源革命带来了深刻的改变。
在此背景下,OFweek维科网·电子工程作为深耕电子产业领域的资深媒体,对全球电子产业高度关注,紧跟产业发展步伐。为了更好地促进电子工程师之间技术交流,推动国内电子行业技术升级,我们继续联袂数十家电子行业企业技术专家,推出面向电子工程师技术人员的专场在线会议 「OFweek 2022 (第二期)工程师系列在线大会」 。
本期在线会议将于6月22日在OFweek官方直播平台举办,将邀请国内外知名电子企业技术专家,聚焦半导体领域展开技术交流,为各位观众带来技术讲解、案例分享和方案展示。
自新中国成立70多年来，我国始终走在一条布满荆棘的 科技 发展的道路上， 科技 水平正经历着从无到有，从弱到强的过程。 两d一星、载人航天、C919大型客机等一系列的科研成果，标志着我国正逐渐发展为一个 科技 强国 。随着国际形势的变化以及全球化进程的推进，我国在与其他国家的交流中不断学习成长，突破了一个又一个的 科技 难关。
然而，国与国之间的交流是一柄双刃剑。在我们不断汲取营养成长的同时，也在逐渐向国外展示着我们蕴含的能量，引来了许多不怀好意的目光。 正处于领先地位的国家自然希望能长久保持这种状态，于是种种手段都向我们袭来：关税政策、强制收购、合作禁令等。 尤其是最近，特朗普下令封锁大部分芯片相关企业与华为的合作，一石激起千层浪，互联网上讨论不断。看衰华为、看衰我国芯片事业者大有人在。
诚然，对于目前的中国来说， 芯片技术是一个短期内难以攻克的险关 。就仿佛两个高手同台竞技，结果我们上来就被人扼住了喉咙。然而这并非是一个死局，无论是外部环境，还是我们自身素质，都有对于我们的有利环境。
从外部来说，“外国”并非只有一个国家，我们也并不是和“外国”为敌； 国际半导体协会曾于9月19日发出警告，如果继续对中芯国际进行封锁，可能会影响世界半导体格局。 姑且不论这个警告能带来多少真实的帮助。但这起码表示，我们并非是孤立无援的。
从内部来说，更加艰苦的环境我们都经历过， 历史 上这么多“30年研发不出来”、“50年都研究不明白”、“中国根本造不出来”的科研难关，也都被我们一一攻克了，两d一星、载人航天这种国之重器姑且不论，圆珠笔笔芯这种太小家子气的产品我们也略过不说，单就工业领域就有太多可以证明的案例。
接下来我要分享一个与如今情况差不多的案例，希望能给你带来一些启发。 芯片的榜样“大型盾构机”，从被封锁到垄断全球。
我国现在有一款出口量占世界3分之2的重工机械——盾构机，不仅能为我国带来不菲的经济收入，还能使我国收获许多国家的友谊 。然而在上世纪90年代，我国却只能依赖国外进口， 并且进口价格高达3.6亿之多，是目前我国出口价格的数倍。我国在这样的环境下，花了20年时间，突破了层层技术封锁，并且大量进行技术创新，反夺了3分之2的国际市场，还在这个过程中收购了几家国际巨头企业。中国盾构机反败为胜的传奇，从被封锁到垄断全球，这一切究竟是怎么做到的呢？
事情要从1953年说起，当时我国正处于第一个五年计划，想要顺利实施就必须先修路，而我国当时很多地方都是山路，几乎没有几条真正的公路 ，因此要在山区修公路，就必须要开山劈动，而开山劈动就必须要挖掘隧道 。在所有的解决方案里， 用机器修隧道是靠谱的做法，而当时只有我国没有的盾构机是最靠谱最好用的机器。
在这里给大家科普一下，挖隧道是一件巨大的工程，我们不可能像愚公移山一样完全借助人力，不然我们现在可能最发达的交通工具就是公交车了。 挖隧道这样的大工程是需要大型机器的，那就是隧道掘进机，而盾构机是隧道掘进机中的一种，我们国家将用于岩石地层的称为TBM，用于软土地层的称为盾构机，只是大家习惯上都统称为盾构机。
再回到我们盾构机的故事。我国在最开始挖隧道的时候，采用的是人海战术， 比如直接找人挖开山洞，比如采用钻爆法等等 。这一系列简单粗暴的方法都没有使得修公路变得快速高效，而且工人常常因工受伤。
直到20世纪90年代，我国意识事情的紧迫性， 首次从德国以7.2亿元人民币的高价引进了两台掘进机，用于挖掘西康铁路的秦岭隧道。这份巨额的投入等价于当时144万名教师的工资，3.6亿斤猪肉，是我国一整年收入的千分之一。 尽管经济牺牲巨大，但却给我们带来了很大的价值。
只是在这个价值凸显之前，我们也是一把辛酸泪。当时获得这两台盾构机的时候，秦 岭隧道挖掘的工期已经比较紧张了，挖掘任务采用的是人歇机不歇的施工规划，也就是工人采用8小时轮班制，但是机器要一天24小时都运转。 这样做的直接后果导致盾构机不断出现故障。
出现故障就必须要德国的专业维修工程师，不仅维修价格高，而且时间和路程都不方便。 关键是德国维修工程师在维修的时候，是禁止我们的工程师在场，这严格的技术封锁让我们即尴尬又气愤。 最令人无奈的事情是派遣来的工程师如果有假期或者其他私人事情是不会及时过来维修的，这就会导致我们当时的工人时不时地被迫停工。
当机器一旦停工一天，就会造成巨大的经费浪费。当时我国国力弱小，根本承担不起这样的浪费。只是奈何没有这样的技术，只能憋屈和心痛无比，但仍然无济于事 。真是技术封锁让人有了卡脖子的感觉。但也正是有了此次无比难受和心痛的经历，必须要拥有一台盾构机成了我国当时每个人的信念。
所以我国将土压平衡盾构关键技术研制，列入了国家863计划，而这个计划为我国的盾构机自主之路奠定了基础，尽管当时科研经费严重不足。
好在最后我们西康铁路秦岭隧道任务也是完成了，秦岭隧道提前一年实现了通车。
故事讲到这里其实就差不多了。盾构机当时的现状和今天芯片的情况差不多。那么盾构机是如何实现逆袭之路的呢？在讲述它的逆袭之路之前，我们先要弄明白 盾构机当时的条件和背景：一个是和盾构机研发相关的盾构机研发难题，一个是和盾构机研发相关的政策背景——国家863计划。
盾构机是利用推进系统中的液压设备提供动力，作用于最前端的刀盘，接着挖开土层或者坚石，等到挖开隧道后，再用衬砌拼装系统，用于管道铺设的管片升举、平移等步骤放到预定的位置。 这个衬砌拼装系统就相当于工地的举重机一样好用。其掘进效率和速度都高于以往的钻爆法。根据资料显示，在当时的隧道平均日进尺率可以高出钻爆法3到8倍。
盾构机的长度可达数百米。它可以简单分成三个部分——切口环、支撑环和盾尾。 而在每个部分内部，都有一个复杂的系统和设备支撑，这些系统和设备协同作用，可以让盾构机从开挖到推进、到撑开、到铺管等环节一次完成。所以，有了这台机器以后，工人只需要在机器内施工，就可以把所有的前期流程都完成。
这样好用的挖隧道神器好研发吗？非常难！
首先，为了顺利挖掘，工人必须要判断出地下泥土的复杂程度，而不同的地方土质不一样，这就 导致了盾构机的功能多样性，比如有泥水盾构机，有岩石盾构机等。
其次不同的地方面积空间不一样，所以使用的盾构机的大小也是不一样的，大的隧道使用小的盾构机会大大降低效率，不得不二次挖掘；而小的地方使用大的，估计山体就崩塌了。 这样看来，盾构机其实有点像一次性用品，除非有两个完全一样的地方，这肯定是有可能的。
但实际情况是。大部分的盾构机都是需要量身定做的， 这其中涉及到的学 科技 术除了地质和测量，还有土木、机械、力学、液压、电气控制等等多门学科 ，比如激光是测量导向以及纠正作用的，液压是液压系统用于运输管片等物体使用的……这里我men就不做过多赘述。毕竟像这样无法模组化的大型机器，不能简单地进行组装，只能依照开挖隧道的直径进行量身订作。因此， 它的研发难度是非常大的，而我国当时是零技术，零基础，更是难上加难。
国家863计划全名：《高技术研究发展计划（863计划）纲要》，是王大珩、王淦昌、杨家墀、陈芳允四位科学家在1986年向国家提出的，目的是追踪世界先进水平，发展中国高技术的建议，并且这个提议得到了国务院的正式批准。
这个计划和《中国2025制造》有些相像， 都是在我国高 科技 的发展上起到了很大的助推作用。由此看来，我们今天所有的 科技 成果，其实都是这些政策一步步引导过来的。
我们每一步的发展都是在国家和科学家长久坚持下来才能得以实现的。
有了国家863计划，有了国家的支持， 2003年10月，一支十八人组成的盾构机研发团队成立了，这也是在向世界宣告——盾构机，我们来了！
这是令人热血的时刻，让人铭记的事情！因为有了这样坚定的开端，才有了后来我们研发成功的盾构机。提到这里不得不自豪一下，就算是 目前为止，世界上只有美国、日本、德国以及我国5个国家才有能力研发这样高端的盾构机！ 可见我国当时在一穷二白之下，研发盾构机的信心有多么的坚定不移。
2008年我国成功研制出首台复合式盾构机，实现了技术突破。
这台盾构机的成功研制，打开了我国辉煌的盾构机逆袭之路，接着不到两年时间， 在2010年12月，中国又生产出大直径断面的盾构机，在当时已经是处于世界领先的位置。
随后是我国在盾构机技术和创新上的不断更新和突破。在2013年12月，我国研制出了首台大型的矩形断面盾构机，为我国城市隧道和地下停车场的建设立下汗马功劳；2016年7月17日，世界首创的马蹄形盾构机在郑州经济开发区成功下线，标志着我国在异形盾构领域处于世界领先水平；2017年4月，我国成功研制出组合式盾构机，这种盾构机能够适应复杂地层的掘进工作。 此后更是不断生产出越来越大型的矩形盾构机，屡创世界纪录。
2018年，我国自主研制出最大直径泥水盾构机——春风号，在深圳春风隧道始发并正式投入使用，这标志着我国盾构的设计制造正式迈向高端化。2 020年6月，世界最大土压平衡矩形盾构机“南湖号”正式在嘉兴市下线，并投入使用。
盾构机技术解封为我国带来了蝴蝶效应，产生的影响力普遍且巨大，国际盾构机巨头再也无法阻挡我们的脚步。
首先是国外的盾构机价格在这十几年从最高的七亿，直接降到现在的五千万每台，这是蝴蝶效应最直接的体现了。
其次，过去技术远超我们的国际盾构机的巨头们如今在面对这种现状却没有了应对能力。
最后，我国盾构机企业开启了国际并购路线，使我国的盾构机出口数量大幅提升。
2007年7月，国际上最优秀超前的完整系列隧道盾构机公司，同时拥有最超前核心技术和优秀品牌效应的法国NFM公司，被我国的北方重工集团董事长通过绝对控股的方式并购了。7年后，也就是2014年，我国再次并购了一家超强的盾构机企业，那就是世界五百强企业——美国卡特彼勒公司的全资子公司：卡特彼勒加拿大隧道设备有限公司。这家公司在国际隧道施工领域的地位不容小觑，是大家公认的机械化施工技术霸主，而并购它的是我国的辽宁三三工业。
《中国工程机械工业年鉴》数据显示，在2012年的时候，我国盾构机出口量是69台，在此之后，每年的出口数量不断攀升，等到2019年的时候，我国盾构机的出口数量为160台，在当时占全球的三分之二市场份额。
在那些时候我国还没有今天这样强大，谁能想到一个没有基础没有技术的国家会取得如此成就呢？ 因此我国盾构机企业这样的发展速度是令外人瞠目、国人惊喜的。从中可见我国盾构机科研人员的实力和智慧是其他国家难以比拟的。
技术的进步使我们摆脱了技术封锁，还能在国际贸易上获得一定的地位，价格的优势，使我们能够征伐全球，同时也提升了我们的全球竞争力，而这个过程只用了二十多年，如此短的时间有这样的成就是令人刮目相看的。
这艰苦奋斗的二十多年，既是我国对高新 科技 孜孜不倦的追索，也是我国为加强国家实力克服重重困难的见证。在 探索 科学的道路上我们走得格外艰辛，但又格外充实 。外部因素的阻碍给我们带来了非常沉重的压力，但是在压力下，我们也得到了更好成长。如今，曾经阻碍我们的关卡被我们一一突破，我们，挺过来了！在我们仍未成长起来的时候，我们尚且不怕封锁。如今，我们已成长为巨人 ，面对芯片以及其他 科技 的扼制，我们更不应该害怕和悲观。
当然，如果我们面对的压力和承受的痛苦仅仅来源于外部，也许会好一些，但我们也无法忽视来源于国内的压力和痛苦。在国内，对于我国正被封锁的多项 科技 技术，有一部分人不理解乃至吐槽，甚至故意带节奏， 尤其是最近芯片的压力，这部分人的吐槽和带节奏使得一部分不自信的人开始悲观起来，总是觉得我国的高 科技 技术不行，不如西班牙，不如美国诸如之类的 。其实这样的做法很明显是把我国的 科技 水平放到了全世界的对立面，这样的做法本身就很不公平，因为任何一个国家的 科技 水平都无法对标全世界的 科技 水平。
关于芯片这样的关键技术，我们总会突破的，就像盾构机技术一样，在破开封锁之后，发展非常迅速。 还有之前被嘲笑的圆珠笔笔芯，我们不也是只花了几年就做出来自己的笔芯了吗？成长的过程是痛苦的，等这个过程结束后，我们再回头看看，细细品味，这些都是宝贵的成长经历。
只有理智的看待问题，才能更好解决问题。再回到盾构机上，我国依然是存在一些不足的，它的部分核心零件，比如刀盘、电机、输送部件等都是进口的。然而这并不是说我国无法制造这些零件，只是出于性能和价格考虑，使用进口产品是更加高效的选择。认真想一想，如果所有东西都国产化了，真的是一件好事情吗？
怕是不见得吧？因为一个市场是需要很多人一起做，才能越做越大，自己一家独大，市场只会越来越小，这也是为什么国家一直反对垄断市场的原因，放到国际上也是一样的道理。所以事情要理智看待，冷静对待。
况且 现在是全球化时代，本身产业链都是互相的，我国在各个高 科技 领域也一直都是奋起追赶，从未停歇。 我们要努力攻克核心的高 科技 技术，争取做到不再被卡脖子。而在这个状态实现之前，我们要学会放宽心，学会相信国家，学会相信默默奉献的科学家们。这里和大家共勉：不为外撼，不以物移，而后可以任天下之大事。
欢迎分享，转载请注明来源：内存溢出
微信扫一扫
支付宝扫一扫
评论列表（0条）