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中车时代半导体IGBT技术—为民族产业发展注入强“芯”剂

发布日期:2018-05-02  浏览次数:171
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   从上世纪50年代研制出晶闸管开始,电能的变换和控制进入由功率半导体器件为主要载体的变流器时代。70年代功率半导体器件先后出现了门极可关断晶闸管(GTO)、巨型晶体管(GTR)和功率MOSFET等全控型器件,80年代在DMOS基础上研制出IGBT,IGBT结合了MOSFET与双极型晶体管的优点,具有电能变换方式灵活、功率容量大、工作频率高等特点。

  IGBT技术发展很快,性能不断提升,目前主流IGBT芯片技术以高压平面栅及中低压沟槽栅为基本特征,结合了场截止缓冲层技术和透明阳极技术,实现了良好的通态与动态特性,并具备宽的安全工作区,使得IGBT足以替代大功率应用领域的其他类型的器件。为提高电流容量,出现了多芯片封装技术,各种电流电压等级、电路形式及封装形式的IGBT模块相继推出。经过二十多年的发展,由于其优越的性能,IGBT已经成为电力电子的“核芯”,广泛应用与轨道交通、智能电网、电动汽车、新能源等领域。

  中车时代半导体是我国最早开发大功率半导体器件的单位之一。曾研发出世界上第一只6英寸UHVDC 8500V商用晶闸管,大批量应用于轨道交通、电网、高端工业装备。近年来中车时代半导体一直致力于开展高功率密度平面栅IGBT (DMOS+)和沟槽栅-场截止IGBT (TMOS+)技术研究,在株洲建成了8英寸IGBT专业生产线,开发了600V—6500V 高功率密度IGBT芯片,并批量应用于高铁、电网、电动汽车、风电等领域。

 

  图1 中车IGBT技术发展历程

  中车时代半导体IGBT技术体系

  IGBT器件的技术体系包括芯片设计及工艺、封装设计及工艺、器件测试与试验、驱动控制等技术。

 

  图2 IGBT器件的技术体系

  如图2所示,各技术构成了一个有机关联系统。IGBT芯片技术的发展促进了封装、测试与试验技术的发展,从而促进应用技术的突破。应用技术的发展反过来又对IGBT器件的相关技术提出了更高的要求,牵引着IGBT技术的发展,从而形成良性互动,实现技术革新。

  中车时代半导体依托功率半导体研发中心、新型功率半导体国家重点实验室、8英寸IGBT专业生产线,形成了IGBT芯片技术——模块技术——质量检测技术——应用技术的完备技术体系,走出了一条垂直整合(IDM)模式下的专业化设计、研发与量产之路。

  中车时代半导体IGBT芯片技术

  从微观方面来看,一个IGBT芯片由上万个称之为“元胞”的基本单元组成,这些元胞并联而成,与芯片外围的终端形成一个有机整体,从而实现高电压、大电流的处理能力。

 

  图3 IGBT结构的主要组成部分

  栅极结构

  IGBT为电压控制型器件,其开关特性和导通特性与栅结构密切相关。开通时,当栅压超过阈值电压,与栅接触的P型硅反型成N型,这一N型层起到导电沟道的作用,形成电流通路。在关断时,栅极加负压,导电沟道消失,IGBT进入短暂的PNP模式,直到电流下降直至关断。

  针对高铁、智能电网等应用需求,中车创新地提出了“U”形IGBT元胞结构,有效抑制了高压高电流密度IGBT动、静态闩锁的发生,提高了芯片的安全工作区性能,形成了DMOS+平面栅技术平台。

 

  图4 中车平面栅DMOS+ IGBT元胞结构

  根据电动汽车、新能源的应用特点,中车开发了基于沟槽栅结构的TMOS+技术,先在硅片表面刻蚀出U形槽,然后再形成栅极。通过缩小元胞尺寸,并消除JFET效应,进一步提升电流密度。

 

  图5 中车沟槽栅TMOD+ IGBT元胞结构

  终端结构

  IGBT确保阻断电压的关键是终端,随着终端技术不断发展,已形成了场限环、场板、结终端扩展技术、变掺杂技术等结构。终端实际是利用芯片边缘表面PN结,实现拓宽电压分布范围的作用,降低表面的电场,确保高压下芯片不发生击穿。终端技术的发展,一方面在于保证耐压的情况下,尽量减小终端宽度,从而增加有源区的面积,提高芯片电流密度;另一方面降低漏电流,实现芯片工作结温的提升,目前中低压芯片已具备了175℃的工作结温能力。

 

  图6 中车750V IGBT 175℃ 高温阻断(HTRB)测试

  场截止缓冲层

  IGBT阻断时承受电压的是N-基区和Pwell形成的PN结,N-基区的厚度是IGBT耐压设计的关键。场截止结构是在N-基区靠芯片背面一侧采用了浓度更高的N+缓冲层,N+起终止电场的作用称为场截止,场截止结构减小了芯片片厚,降低芯片电阻使得导通压降更低,导通损耗更小,同时具备更好的热扩散效率。

 

  图7 场截止缓冲层结构

  透明集电极

  IGBT的集电极是很薄的P+层,一般为0.5~1um,由于厚度很薄,也被称为透明集电极。IGBT是在VDMOS的漏极区增加了一层P+掺杂,P+层的引入PNP 双极器件并大大改变器件特性。开通时,空穴大量注入引起的电导调制效应确保了IGBT在大电流下具备低的导通压降。在关断时,电子在高场强作用下快速穿越薄的P+层,从芯片内流出,非平衡载流子浓度在体区浓度快速下降直至耗尽,透明集电极实现了导通压降和开关损耗的良好折衷。

 

  图8 背面发射效率控制

  反向恢复特性

  IGBT作为开关元件需要和FRD配合使用,FRD在反向恢复过程中的反向电流将叠加到IGBT上,造成IGBT的电流尖峰,同时FRD的反向电压尖峰也增加了器件击穿的风险。FRD关键特性是反向恢复时间、反向峰值电流、反向峰值电压和恢复电荷,通过少子寿命控制,结合中车创新的载流子注入效率控制技术(PIC),可以消除FRD的电压尖峰,实现FRD与IGBT的良好性能匹配。

 

  图9 中车1500A/3300V IGBT模块高压小电流振荡特性

  芯片工艺

  IGBT工作时,数以万计的元胞要同时进行开关转换,电学特性的一致性要求工艺必须具备很高的精细结构加工能力和工艺参数均匀性控制能力。IGBT工艺流程与集成电路工艺流程大致相同都包含氧化、光刻、离子注入、扩散、淀积、溅射、刻蚀等常见半导体工艺,但又包含一些特殊工艺技术如深沟槽刻蚀技术、高能离子注入、超薄片加工、激光退火、铜金属化以及少子寿命控制等关键技术。

 

  图10 中车8英寸IGBT专业生产线

 

  图11 中车8英寸IGBT晶圆

  中车时代半导体IGBT型谱

  (1)汽车S系列IGBT

 

  图12汽车S系列IGBT

  针对汽车级高可靠性、苛刻环境下的应用,严格按照汽车级产品开发的理念,基于通过IATF16949认证的质量体系,推出S系列汽车级IGBT模块。S系列IGBT模块额定电压为750V,未来会扩展到1200V系列,电流等级覆盖400A到800A,基本覆盖40kW到150kW的电机控制器应用需求。基于TMOS+和精细沟槽芯片技术,采用直接水冷散热技术和高可靠性封装材料,S系列IGBT模块具有低损耗、高功率密度、高可靠性等特点。目前产品已完成器件级全套可靠性试验,符合汽车级元器件标准AEC-Q101的要求。汽车级IGBT模块也可以根据客户的需求进行定制化开发,如双面散热模块、一体化散热模块等。

 

  图13定制化双面散热模块及集成组件

 

  图14 750V/800A模块SCSOA和RBSOA测试波形

  (2)压接Flexpack系列IGBT

 

  图15 压接Flexpack系列IGBT

  在DMOS+芯片技术平台技术基础上,针对压接应用进行了IGBT/FRD芯片结构的定制化设计及开发。芯片抗压强度与功率密度有效提升。结合晶闸管陶瓷密封管壳技术,开发了子单元低温银烧结、高压绝缘保护、多芯片并联均流控制、柔性压力均衡控制等多项关键技术。压接Flexpack系列IGBT电压等级4500V,最高电流等级4500A,具有双面散热、长期失效短路、低通态损耗、强过流能力等技术特点。目前已完成应用级试验评估,为大容量柔性直流输电工程提供解决方案。

 

  图16 4500V/4500A压接IGBT极限关断29000A电流波形

  (3)高压焊接系列IGBT

 

  图17 高压焊接系列IGBT

  高压焊接式IGBT模块产品采用140mm×190mm及140mm×130mm的标准封装型式,电压等级覆盖1700V-6500V,最高电流等级达3600A,电路型式包含单开关、双开关、斩波等,产品种类十余种。基于DMOS+芯片技术,实现了低损耗水平与宽安全工作区的良好折中。目前高压焊接式IGBT模块已在干线机车、城市轨道交通、柔性直流输电、功率补偿等领域累计应用11万多只。其中广泛应用于轨道交通及柔直电网的一款3300V/1500A高压焊接IGBT模块产品仅在柔直电网的应用数量已达到1万多只,其RBSOA及SCSOA测试波形见下图。

  

 

  图18 3300V/1500A高压焊接IGBT RBSOA及SCSOA测试波形

  (左:125°C安全关断3.5倍额定电流;右:栅压18V维持20µs短路工作时间)

  (4)中低压M/H系列IGBT

 

  图19 中低压M/H系列IGBT

  在TMOS+芯片技术平台基础上,根据新能源(含风电、光伏、新能源汽车等)与工业变频等应用需求,系列化开发了1200V-1700V中低压M/H系列IGBT,电流等级最高1400A,产品包括多种封装尺寸及电路型式,满足不同应用安装需求。中低压M/H系列IGBT具有快速低动态损耗、宽安全工作区与长循环周次能力等技术特点,目前已在电动大巴、光伏逆变器、风电变流器、SVG等领域批量装机应用。

  中车时代半导体勇担产业发展重任,挺起民族脊梁,以“核心技术靠化缘是要不来的”准确认识,坚持自主创新、自力更生,并带动我国半导体产业链上、下游技术与产业的共同发展,众志成城,齐心协力为解决我们泱泱大国“缺芯”局面不懈努力,为我国各领域产业发展注入强“芯”剂!


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