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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:[ ]

從上世紀50年代研製出晶閘管開始aaaa,電能的變換和控制進入由功率半導體器件爲主要載體的變流器時代aaa。70年代功率半導體器件先後出現了門極可關斷晶閘管(GTO)、巨型晶體管(GTR)和功率MOSFET等全控型器件aaaa,80年代在DMOS基礎上研製出IGBTaaa,IGBT結合了MOSFET與雙極型晶體管的優點aaa,具有電能變換方式靈活、功率容量大、工作頻率高等特點aaaa。

IGBT技術發展很快aaa,性能不斷提升aaa,目前主流IGBT芯片技術以高壓平面柵及中低壓溝槽柵爲基本特徵aaaaa,結合了場截止緩衝層技術和透明陽極技術aaa,實現了良好的通態與動態特性aaaaa,並具備寬的安全工作區aaaaa,使得IGBT足以替代大功率應用領域的其他類型的器件aaaaa。爲提高電流容量aaaaa,出現了多芯片封裝技術aaaa,各種電流電壓等級、電路形式及封裝形式的IGBT模塊相繼推出aaaa。經過二十多年的發展aaaaa,由於其優越的性能aaaa,IGBT已經成爲電力電子的“核芯”aaa,廣泛應用與軌道交通、智能電網、電動汽車、新能源等領域aaa。

天际亚洲开户半導體是我國最早開發大功率半導體器件的單位之一aaaaa。曾研發出世界上第一隻6英寸UHVDC 8500V商用晶閘管aaaa,大批量應用於軌道交通、電網、高端工業裝備aaaa。近年來天际亚洲开户半導體一直致力於開展高功率密度平面柵IGBT (DMOS+)和溝槽柵-場截止IGBT (TMOS+)技術研究aaaaa,在株洲建成了8英寸IGBT專業生產線aaaa,開發了600V—6500V 高功率密度IGBT芯片aaa,並批量應用於高鐵、電網、電動汽車、風電等領域aaaa。

圖1 中車IGBT技術發展歷程

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及工藝、封裝設計及工藝、器件測試與試驗、驅動控制等技術aaa。

圖2  IGBT器件的技術體系

如圖2所示aaa,各技術構成了一個有機關聯繫統aaa。IGBT芯片技術的發展促進了封裝、測試與試驗技術的發展aaa,從而促進應用技術的突破aaaa。應用技術的發展反過來又對IGBT器件的相關技術提出了更高的要求aaaaa,牽引着IGBT技術的發展aaaaa,從而形成良性互動aaaaa,實現技術革新aaaaa。

天际亚洲开户半導體依託功率半導體研發中心、新型功率半導體國家重點實驗室、8英寸IGBT專業生產線aaaaa,形成了IGBT芯片技術——模塊技術——質量檢測技術——應用技術的完備技術體系aaa,走出了一條垂直整合(IDM)模式下的專業化設計、研發與量產之路aaaaa。

天际亚洲开户半導體IGBT芯片技術

從微觀方面來看aaa,一個IGBT芯片由上萬個稱之爲“元胞”的基本單元組成aaaa,這些元胞並聯而成aaaaa,與芯片外圍的終端形成一個有機整體aaaaa,從而實現高電壓、大電流的處理能力aaaaa。

圖3  IGBT結構的主要組成部分

柵極結構

IGBT爲電壓控制型器件aaaa,其開關特性和導通特性與柵結構密切相關aaa。開通時aaa,當柵壓超過閾值電壓aaaaa,與柵接觸的P型硅反型成N型aaaa,這一N型層起到導電溝道的作用aaaaa,形成電流通路aaaaa。在關斷時aaaaa,柵極加負壓aaa,導電溝道消失aaaaa,IGBT進入短暫的PNP模式aaaa,直到電流下降直至關斷aaa。

針對高鐵、智能電網等應用需求aaa,中車創新地提出了“U”形IGBT元胞結構aaa,有效抑制了高壓高電流密度IGBT動、靜態閂鎖的發生aaa,提高了芯片的安全工作區性能aaa,形成了DMOS+平面柵技術平臺aaa。

圖4  中車平面柵DMOSIGBT元胞結構

根據電動汽車、新能源的應用特點aaaaa,中車開發了基於溝槽柵結構的TMOS+技術aaaa,先在硅片表面刻蝕出U形槽aaaa,然後再形成柵極aaaa。通過縮小元胞尺寸aaa,並消除JFET效應aaa,進一步提升電流密度aaaa。

圖5  中車溝槽柵TMOD+  IGBT元胞結構

終端結構

IGBT確保阻斷電壓的關鍵是終端aaaaa,隨着終端技術不斷髮展aaa,已形成了場限環、場板、結終端擴展技術、變摻雜技術等結構aaaa。終端實際是利用芯片邊緣表面PN結aaa,實現拓寬電壓分佈範圍的作用aaaaa,降低表面的電場aaaa,確保高壓下芯片不發生擊穿aaaaa。終端技術的發展aaa,一方面在於保證耐壓的情況下aaaa,儘量減小終端寬度aaa,從而增加有源區的面積aaaa,提高芯片電流密度aaa;另一方面降低漏電流aaaaa,實現芯片工作結溫的提升aaaa,目前中低壓芯片已具備了175℃的工作結溫能力aaa。

圖6 中車750V IGBT 175℃ 高溫阻斷(HTRB)測試

場截止緩衝層

IGBT阻斷時承受電壓的是N-基區和Pwell形成的PN結aaa,N-基區的厚度是IGBT耐壓設計的關鍵aaaaa。場截止結構是在N-基區靠芯片背面一側採用了濃度更高的N+緩衝層aaa,N+起終止電場的作用稱爲場截止aaaa,場截止結構減小了芯片片厚aaaa,降低芯片電阻使得導通壓降更低aaaa,導通損耗更小aaaaa,同時具備更好的熱擴散效率aaaa。

圖7 場截止緩衝層結構

透明集電極

IGBT的集電極是很薄的P+層aaa,一般爲0.5~1umaaaaa,由於厚度很薄aaaaa,也被稱爲透明集電極aaaa。IGBT是在VDMOS的漏極區增加了一層P+摻雜aaaaa,P+層的引入PNP 雙極器件並大大改變器件特性aaa。開通時aaaaa,空穴大量注入引起的電導調製效應確保了IGBT在大電流下具備低的導通壓降aaaaa。在關斷時aaaaa,電子在高場強作用下快速穿越薄的P+層aaa,從芯片內流出aaaaa,非平衡載流子濃度在體區濃度快速下降直至耗盡aaaaa,透明集電極實現了導通壓降和開關損耗的良好折衷aaa。

圖8 背面發射效率控制

反向恢復特性

IGBT作爲開關元件需要和FRD配合使用aaaaa,FRD在反向恢復過程中的反向電流將疊加到IGBT上aaaaa,造成IGBT的電流尖峯aaaa,同時FRD的反向電壓尖峯也增加了器件擊穿的風險aaaaa。FRD關鍵特性是反向恢復時間、反向峯值電流、反向峯值電壓和恢復電荷aaa,通過少子壽命控制aaaa,結合中車創新的載流子注入效率控制技術(PIC)aaa,可以消除FRD的電壓尖峯aaa,實現FRD與IGBT的良好性能匹配aaaa。

圖9 中車1500A/3300V IGBT模塊高壓小電流振盪特性

芯片工藝

IGBT工作時aaaa,數以萬計的元胞要同時進行開關轉換aaa,電學特性的一致性要求工藝必須具備很高的精細結構加工能力和工藝參數均勻性控制能力aaaa。IGBT工藝流程與集成電路工藝流程大致相同都包含氧化、光刻、離子注入、擴散、澱積、濺射、刻蝕等常見半導體工藝aaaaa,但又包含一些特殊工藝技術如深溝槽刻蝕技術、高能離子注入、超薄片加工、激光退火、銅金屬化以及少子壽命控制等關鍵技術aaaaa。

圖10 中車8英寸IGBT專業生產線

圖11 中車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

針對汽車級高可靠性、苛刻環境下的應用aaaaa,嚴格按照汽車級產品開發的理念aaa,基於通過IATF16949認證的質量體系aaaa,推出S系列汽車級IGBT模塊aaa。S系列IGBT模塊額定電壓爲750Vaaaaa,未來會擴展到1200V系列aaaa,電流等級覆蓋400A到800Aaaa,基本覆蓋40kW到150kW的電機控制器應用需求aaaa。基於TMOS+和精細溝槽芯片技術aaaa,採用直接水冷散熱技術和高可靠性封裝材料aaa,S系列IGBT模塊具有低損耗、高功率密度、高可靠性等特點aaaa。目前產品已完成器件級全套可靠性試驗aaa,符合汽車級元器件標準AEC-Q101的要求aaaa。汽車級IGBT模塊也可以根據客戶的需求進行定製化開發aaa,如雙面散熱模塊、一體化散熱模塊等aaa。

圖13定製化雙面散熱模塊及集成組件

圖14   750V/800A模塊SCSOA和RBSOA測試波形

(2)壓接Flexpack系列IGBT

圖15  壓接Flexpack系列IGBT

在DMOS+芯片技術平臺技術基礎上aaaaa,針對壓接應用進行了IGBT/FRD芯片結構的定製化設計及開發aaaa。芯片抗壓強度與功率密度有效提升aaaa。結合晶閘管陶瓷密封管殼技術aaaa,開發了子單元低溫銀燒結、高壓絕緣保護、多芯片並聯均流控制、柔性壓力均衡控制等多項關鍵技術aaaa。壓接Flexpack系列IGBT電壓等級4500Vaaa,最高電流等級4500Aaaaaa,具有雙面散熱、長期失效短路、低通態損耗、強過流能力等技術特點aaa。目前已完成應用級試驗評估aaa,爲大容量柔性直流輸電工程提供解決方案aaaa。

圖16  4500V/4500A壓接IGBT極限關斷29000A電流波形

(3)高壓焊接系列IGBT

圖17  高壓焊接系列IGBT

高壓焊接式IGBT模塊產品採用140mm×190mm及140mm×130mm的標準封裝型式aaaa,電壓等級覆蓋1700V-6500Vaaa,最高電流等級達3600Aaaa,電路型式包含單開關、雙開關、斬波等aaaaa,產品種類十餘種aaa。基於DMOS+芯片技術aaaa,實現了低損耗水平與寬安全工作區的良好折中aaa。目前高壓焊接式IGBT模塊已在幹線機車、城市軌道交通、柔性直流輸電、功率補償等領域累計應用11萬多隻aaaaa。其中廣泛應用於軌道交通及柔直電網的一款3300V/1500A高壓焊接IGBT模塊產品僅在柔直電網的應用數量已達到1萬多隻aaaa,其RBSOA及SCSOA測試波形見下圖aaaaa。

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

(左:125°C安全關斷3.5倍額定電流aaaa;右:柵壓18V維持20µs短路工作時間)

(4)中低壓M/H系列IGBT

圖19  中低壓M/H系列IGBT

在TMOS+芯片技術平臺基礎上aaa,根據新能源(含風電、光伏、新能源汽車等)與工業變頻等應用需求aaa,系列化開發了1200V-1700V中低壓M/H系列IGBTaaaaa,電流等級最高1400Aaaaa,產品包括多種封裝尺寸及電路型式aaaaa,滿足不同應用安裝需求aaaaa。中低壓M/H系列IGBT具有快速低動態損耗、寬安全工作區與長循環周次能力等技術特點aaaaa,目前已在電動大巴、光伏逆變器、風電變流器、SVG等領域批量裝機應用aaaaa。

天际亚洲开户半導體勇擔產業發展重任aaaaa,挺起民族脊樑aaa,以“核心技術靠化緣是要不來的”準確認識aaaaa,堅持自主創新、自力更生aaaa,並帶動我國半導體產業鏈上、下游技術與產業的共同發展aaaaa,衆志成城aaaaa,齊心協力爲解決我們泱泱大國“缺芯”局面不懈努力aaa,爲我國各領域產業發展注入強“芯”劑aaaa!

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