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天际亚洲开户半導體IGBT技術—爲民族產業發展注入強“芯”劑

發佈時間:2018-04-26 瀏覽量:1787 來源: 字號:[ ]

自20世紀50年代晶閘管的發展以來aaaa,電能的轉換和控制進入了功率半導體器件主導的轉換器時代aaa。在20世紀70年代aaa,功率半導體器件先後作爲柵極可轉換晶閘管(GTO)aaaaa,巨型晶體管(GTR)和功率MOSFET出現aaaa。在20世紀80年代aaa,IGBT是在DMOS的基礎上發展起來的aaa。 IGBT與MOSFET和雙極結合在一起aaa。該晶體管的優點在於靈活的功率轉換模式aaaa,大功率容量和高工作頻率aaaaa。

IGBT技術發展迅速aaaa,性能不斷提高aaa。目前aaaa,主流IGBT芯片技術的特點是高壓平面柵極和中低壓溝槽柵極aaaaa。它結合了場切緩衝層技術和透明陽極技術aaaaa,以實現良好的通態和動態特性aaa。憑藉寬廣的安全工作區域aaa,IGBT足以替代高功率應用中的其他類型器件aaaa。爲了提高電流容量aaaaa,出現了多芯片封裝技術aaaaa,並先後引入了各種電流電壓等級的IGBT模塊aaaa,電路形式和封裝形式aaa。經過20多年的發展aaaaa,由於其優越的性能aaa,IGBT已成爲電力電子的“核心”aaaaa,廣泛應用於軌道交通aaaa,智能電網aaaaa,電動汽車aaaaa,新能源等領域aaa。

CRRC時代半導體是中國最早開發高功率半導體器件的單位之一aaaaa。它開發出世界上第一臺6英寸UHVDC 8500V商用晶閘管aaaaa,廣泛應用於軌道交通aaa,電網和高端工業設備aaaaa。近年來aaaaa,CRRC時代半導體一直致力於研究高功率密度平面柵極IGBT(DMOS +)和溝槽柵極場截止IGBT(TMOS +)技術aaa。在株洲建成了8英寸IGBT專業生產線aaaa,開發出600V-6500V大功率aaaaa。密度IGBT芯片廣泛應用於高速鐵路aaaaa,電網aaaa,電動汽車aaaa,風力發電等領域aaaaa。

圖1車輛IGBT技術的發展歷史

天际亚洲开户半導體IGBT技術體系

IGBT器件的技術體系包括芯片設計和工藝aaaa,封裝設計和工藝aaaa,器件測試和測試aaaaa,驅動控制等技術aaaaa。

圖2 IGBT器件技術系統

如圖2所示aaaa,每種技術構成一個有機相關係統aaa。 IGBT芯片技術的發展促進了封裝aaaaa,測試和測試技術的發展aaaaa,從而推動了應用技術的突破aaaa。應用技術的發展反過來對IGBT器件的相關技術提出了更高的要求aaaa,這導致了IGBT技術的發展aaaaa,從而形成了良性的互動aaa,實現了技術創新aaaaa。

CSR時代半導體依託功率半導體研發中心aaaaa,新型功率半導體國家重點實驗室aaaaa,以及8英寸IGBT專業生產線aaaa,形成完整的IGBT芯片技術系統——模塊技術——質量檢測技術——應用技術aaa,並且已經走出了垂直整合(專業設計aaaaa,研發和IDM模式下的批量生產aaaa。

天际亚洲开户半導體IGBT芯片技術

從微觀角度來看aaa,IGBT芯片由稱爲“單元”的數萬個基本單元組成aaa,這些基本單元並聯連接以與芯片外圍的端子形成有機整體aaaa,從而實現高電壓和高電流aaaaa。處理能力aaaa。

圖3 IGBT結構的主要組件

柵極結構

IGBT是一種壓控器件aaaa,其開關特性和導通特性與柵極結構密切相關aaa。當導通時aaaaa,當柵極電壓超過閾值電壓時aaaa,與柵極接觸的P型硅反轉爲N型aaa,並且N型層用作導電溝道以形成電流路徑aaaa。在關斷時aaaaa,柵極處於負壓狀態aaa,導電通道消失aaa,IGBT進入短暫的PNP模式aaa,直到電流下降直至其關閉aaaa。

爲響應高速鐵路和智能電網的應用需求aaaaa,CRRC創新性地提出了一種U形IGBT單元結構aaa,有效抑制了高壓大電流密度IGBT動態和靜態閉鎖的發生aaaa,並改善了芯片安全工作區的性能aaaa。 DMOS +平面門技術平臺aaaa。

圖4:平面柵極DMOS + IGBT單元結構

根據電動汽車和新能源的應用特點aaaa,CRRC開發了一種基於溝槽柵極結構的TMOS +技術aaaa,該技術首先蝕刻硅晶片表面上的U形凹槽aaa,然後形成柵極aaaaa。通過減小單元尺寸和消除JFET效應進一步增加電流密度aaa。

圖5:車輛溝槽柵極TMOD + IGBT單元結構

終端結構

確保IGBT阻斷電壓的關鍵是終端aaa。隨着終端技術的不斷髮展aaaa,已經形成了場限環aaaa,場板aaaa,結終端擴展技術和可變摻雜技術等結構aaa。該端子實際上使用芯片邊緣表面上的PN結來實現加寬電壓分佈範圍aaa,減小表面電場並確保芯片在高壓下不會斷裂的功能aaaa。終端技術的發展一方面是在耐壓條件下儘可能地減小終端寬度aaa,從而增加有源區的面積aaaa,增加芯片的電流密度;另一方面aaaaa,降低漏電流和提高芯片的結溫aaaaa,目前中低壓芯片的工作結溫爲175°Caaaaa。

圖6 750V IGBT 175°C高溫阻斷(HTRB)測試

場截止緩衝層

當IGBT被阻斷時aaaaa,電壓是由N基極區和P阱形成的PN結aaaa。 N基區的厚度是IGBT耐壓設計的關鍵aaaa。場截止結構在N基區中的芯片背面使用更高濃度的N +緩衝層aaaaa。 N +終止電場的影響稱爲場截止aaaa。場截止結構減小了芯片厚度並降低了芯片電阻aaaa。壓降較低aaaaa,傳導損失較小aaaaa,熱擴散效率較好aaaa。

圖7字段截止緩衝結構

透明集電極

IGBT的集電極是非常薄的P +層aaa,通常爲0.5~1umaaaa,由於其厚度薄aaaa,因此也稱爲透明集電極aaaaa。 IGBT在VDMOS的漏極區域增加了一層P +摻雜aaaaa,P +層引入了PNP雙極器件並極大地改變了器件特性aaaaa。當接通時aaaa,由大量空穴注入引起的電導調製效應確保IGBT在大電流下具有低導通電壓降aaa。在關斷時aaaa,電子在高場強下快速穿過薄P +層並流出芯片aaaa。不平衡載流子的濃度在體區內迅速下降直至耗盡aaaaa,並且透明集電極實現導通電壓降和開關損耗的良好折衷aaaa。

圖8反向發射效率控制

反向恢復特性

IGBT與FRD一起用作開關元件aaaa。反向恢復過程中FRD的反向電流疊加在IGBT上aaa,導致IGBT電流尖峯aaaa,FRD的反向電壓尖峯也增加了器件擊穿的風險aaa。 FRD的主要特性是反向恢復時間aaa,反向峯值電流aaaa,反向峯值電壓和恢復電荷aaaaa。通過低子壽命控制aaaaa,結合CRRC創新的載流子注入效率控制技術(PIC)aaaa,可以消除FRD的電壓尖峯aaa。實現FRD和IGBT之間良好的性能匹配aaa。

圖9車載1500A/3300V IGBT模塊的高壓和小電流振盪特性

芯片工藝

當IGBT工作時aaaaa,必須同時切換數萬個電池aaaaa。電特性的一致性要求該過程必須具有高精細結構處理能力和工藝參數均勻性控制能力aaa。 IGBT工藝流程和集成電路工藝流程通常包括常見的半導體工藝aaaaa,例如氧化aaa,光刻aaa,離子注入aaa,擴散aaa,沉積aaa,濺射aaaaa,蝕刻等aaaaa,但也包括一些特殊的工藝技術aaaa,例如深溝槽蝕刻技術aaaaa。關鍵技術aaaaa,如高能離子注入aaa,超薄加工aaa,激光退火aaa,銅金屬化和少數載流子壽命控制aaa。

圖10汽車8英寸IGBT專業生產線

圖11汽車中的8英寸IGBT晶圓

天际亚洲开户半導體IGBT型譜

(1)汽車S系列IGBT

圖12汽車S系列IGBT

對於汽車級高可靠性和苛刻環境aaa,S系列汽車級IGBT模塊基於IATF16949認證的質量體系aaa,嚴格按照汽車級產品開發的理念推出aaa。 S系列IGBT模塊的額定電壓爲750Vaaa,未來將擴展至1200V系列aaa。目前的電流範圍爲400A至800Aaaa,可滿足40kW至150kW的電機控制器需求aaaaa。 S系列IGBT模塊基於TMOS +和精細溝槽芯片技術aaa,採用直接水冷技術和高可靠性封裝材料aaa,具有低損耗aaaa,高功率密度和高可靠性aaaaa。目前aaa,該產品已完成設備級完全可靠性測試aaa,符合汽車級元件標準AEC-Q101的要求aaa。汽車級IGBT模塊也可根據客戶需求定製aaaa,如雙面冷卻模塊aaaaa,集成冷卻模塊aaaaa。

圖13定製的雙面冷卻模塊和集成組件

圖14 750V/800A模塊SCSOA和RBSOA測試波形

(2)Crimp Flexpack系列IGBT

圖15壓接Flexpack系列IGBT

在DMOS +芯片技術平臺技術的基礎上aaaa,定製設計和開發用於壓接應用的IGBT/FRD芯片結構aaaaa。芯片的抗壓強度和功率密度得到有效改善aaaa。結合晶閘管陶瓷密封殼技術aaa,開發了亞單元低溫銀燒結aaaa,高壓絕緣保護aaaa,多片並聯均流控制aaaa,柔性壓力均衡控制等關鍵技術aaaaa。 Crimp Flexpack系列IGBT電壓等級4500Vaaaaa,最高電流等級4500Aaaa,具有雙面散熱aaaaa,長期故障短路aaaaa,低導通損耗aaaa,強過流能力等技術特點aaa。已完成應用級測試評估aaaa,爲大容量柔性直流輸電項目提供解決方案aaaaa。

圖16 4500V/4500A壓接IGBT限制關斷29000A電流波形

(3)高壓焊接系列IGBT

圖17高壓焊接系列IGBT

高壓焊接IGBT模塊產品有140mm×190mm和140mm×130mm的標準封裝類型aaaa。電壓等級涵蓋1700V-6500Vaaaaa,最高電流爲3600Aaaa。電路類型包括單開關aaaaa,雙開關aaaaa,斬波等aaaa。基於DMOS +芯片技術aaaaa,實現了低損耗水平和寬安全工作區域之間的良好折衷aaaaa。目前aaa,高壓焊接IGBT模塊已在主線機車aaa,城市軌道交通aaaaa,柔性直流輸電aaa,功率補償等領域應用了11萬多臺aaa。其中aaa,廣泛應用於軌道交通和柔性電網的3300V/1500A高壓焊接IGBT模塊僅在柔性電網中應用了10,000多種應用aaaaa。 RSBOA和SCSOA測試波形如下圖所示aaa。

圖18 3300V/1500A高壓焊接IGBT RBSOA和SCSOA測試波形

(左:125°C安全關機3.5倍額定電流;右:門電壓18Vaaaa,保持20μs短路工作時間)

(4)中低壓M/H系列IGBT

圖19低壓M/H系列IGBT

在TMOS +芯片技術平臺的基礎上aaaa,根據新能源(包括風電aaaaa,光伏aaaaa,新能源汽車等)的應用需求和工業變頻aaa,1200V-1700V中低壓M/H系列的系列化開發額定電流高達1400A的IGBTaaaaa,產品包括各種封裝尺寸和電路類型aaa,以滿足不同應用安裝的需求aaaaa。中低壓M/H系列IGBT具有動態損耗快aaa,工作區寬aaa,循環時間長的特點aaaa。它們目前大量安裝在電動公交車aaaa,光伏逆變器aaaa,風電轉換器aaaaa,SVG等領域aaaaa。

在汽車時代的中期aaaa,半導體產業對行業的發展負有強烈的責任aaaa。它建立了國家骨幹aaaa,並準確理解“核心技術取決於技術的優勢”aaaa。堅持自主創新和自力更生aaaa,推動中國半導體產業鏈的共同技術和產業aaaaa。發展aaaa,團結一致aaa,共同努力aaaaa,解決我國“缺乏核心”局面的不成功aaaa,爲中國各行各業的發展注入強大的“核心”代理人aaa!

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