大功率IGBT芯片的技術現狀與特點
時間:2020-02-22 09:41 來源:未知 作者:admin
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本文分別從IGBT芯片體結構、背面集電極區結構和正面MOS結構出發，系統分析了大功率IGBT芯片的技術現狀與特點，從芯片焊接與電極互連兩方面全面介紹了IGBT模塊封裝技術，并從新結構、新工藝及新材料技術三方面分析了IGBT技術未來的發展方向。
絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是在金屬氧化物場效應晶體管(MOSFET)和雙極晶體管(Bipolar)基礎上發展起來的一種新型復合功率器件，具有MOS輸入、雙極輸出功能。IGBT集Bipolar器件通態壓降小、載流密度大、耐壓高和功率MOSFET驅動功率小、開關速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好的優點于一身。作為電力電子變換器的核心器件，為應用裝置的高頻化、小型化、高性能和高可靠性奠定了基礎。
自IGBT商業化應用以來，作為新型功率半導體器件的主型器件，IGBT在1—100kHz的頻率應用范圍內占據重要地位，其電壓范圍為600V—6500V，電流范圍為1A—3600A(140mm x 190mm模塊)。IGBT廣泛應用于工業、4C(通信、計算機、消費電子、汽車電子)、航空航天、國防軍工等傳統產業領域以及軌道交通、新能源、智能電網、新能源汽車等戰略性新興產業領域。采用IGBT進行功率變換，能夠提高用電效率和質量，具有高效節能和綠色環保的特點，是解決能源短缺問題和降低碳排放的關鍵支撐技術，因此被稱為功率變流產品的“CPU”、“綠色經濟之核”。在未來很長一段時間內，為適應全球降低CO2排放的戰略需要，IGBT必將扮演更為重要的角色，是節能技術和低碳經濟的重要支點。
IGBT應用領域
目前，世界各大功率半導體公司對IGBT的研發熱潮日益高漲，研究步伐和技術革新日益加快，IGBT芯片的設計與生產廠家有英飛凌(Infineon)、 ABB、三菱(Mitsubishi Electric)、Dynex(中國南車，CSR)、IXYS Corporation、International Rectifier、Powerex、Philips、Motorola、Fuji Electric、Hitachi、Toshiba等，主要集中在歐、美、日等國家。因為種種原因，國內在IGBT技術研究開發方面雖然起步較早，但進展緩慢，特別是在IGBT產業化方面尚處于起步階段，作為全球最大的IGBT應用市場，IGBT模塊主要依賴進口。近年來，在國家宏觀政策的引導和組織下，國內企業通過各種途徑在IGBT芯片、模塊等領域已經取得很多可喜的進展，中國南車通過并購英國Dynex半導體，充分利用歐洲豐富的技術資源，成立功率半導體海外研發中心，迅速掌握了先進的1200V-6500V IGBT芯片設計、工藝制造及模塊封裝技術，并且在株洲建設了一條先進的8英寸IGBT芯片及其封裝生產線。并將于2014年初實現IGBT芯片量產。中科同志科技生產的IGBT真空共晶爐，助力各大IGBT工廠，用專業的技術和工藝為國產IGBT產品添磚加瓦。
在模塊封裝技術方面，國內基本掌握了傳統的焊接式封裝技術，其中中低壓IGBT模塊封裝廠家較多，高壓IGBT模塊封裝主要集中在南車與北車兩家公司。與國外公司相比，技術上的差距依然存在。國外公司基于傳統封裝技術相繼研發出多種先進封裝技術，能夠大幅提高模塊的功率密度、散熱性能與長期可靠性，并初步實現了商業應用。中科同志的IGBT真空封裝技術已經在BYD等大型IGBT公司經過長期驗證。
2 技術現狀
2.1 IGBT芯片技術
IGBT（真空共晶爐）芯片在結構上是由數萬個元胞(重復單元)組成，工藝上采用大規模集成電路技術和功率器件技術制造而成[2]。每個元胞結構如下圖2所示，可將其分成體結構、正面MOS結構及背面集電極區結構三部分。
IGBT元件結構
商用IGBT的體結構設計技術的發展經歷了從穿通(Punch Through，PT)到非穿通(Non Punch Through，NPT)，再到軟穿通(Soft Punch Through，SPT)的過程，如圖3所示[3]。而在穿通結構之前，IGBT的體結構是基于厚晶圓擴散工藝的非穿通結構，背部空穴的注入效率很高，由于器件內部的寄生晶閘管結構，IGBT在工作時容易發生閂鎖，因此很難實現商用。隨著外延技術的發展，引入了N型緩沖層形成穿通結構，降低了背部空穴注入效率，并實現了批量應用，但由于外延工藝的特點，限制了高壓IGBT的發展，其最高電壓等級為1700V。隨著區熔薄晶圓技術發展，基于N型襯底的非穿通結構IGBT推動了電壓等級不斷提高，并通過空穴注入效率控制技術使IGBT具有正溫度系數，能夠較好地實現并聯應用，提高了應用功率等級。隨著電壓等級不斷提高，芯片襯底厚度也迅速增加，并最終導致通態壓降增大，為了優化通態壓降與耐壓的關系，局部穿通結構應運而生，ABB稱之為軟穿通(Soft Punch Through，SPT)[4]，英飛凌稱之為電場截止(Field Stop，FS)[5]，三菱稱之為弱穿通(Light Punch Through， LPT)[6]，IXYS稱之為超薄穿通(eXtremely light Punch Through，XPT)，以及其他的薄穿通(Thin Punch Through， TPT)和受控穿通(Controlled Punch Through， CPT)[7]等各種不同的稱呼。在相同的耐壓能力下，軟穿通結構可比非穿通結構的芯片厚度降低30%，同時還保持了非穿通結構的正溫度系數的特點。近年來出現的各種增強型技術及超薄片技術都是基于軟穿通的體結構的，目前600V電壓等級軟穿通IGBT芯片的厚度可以達到70um。
75A/1200V IGBT芯片發展（125℃）
IGBT的集電極區結構影響著PNP晶體管的增益，對正向壓降與關斷損耗都有重要的影響。早期的穿通型IGBT其集電極區結深較大，空穴注入效率很大，容易發生閂鎖效應，必須采用局部壽命控制技術來控制背部空穴注入效率，但是卻因此面導致了導通壓降的負溫度系數，不利于并聯應用。后來出現的非穿通型IGBT，采用了透明集電極結構，
控制了空穴注入，免除了局部壽命控制，實現了導通壓降的正溫度系數，這一結構技術一直沿用至今，并通過優化改進以提高關斷速度及短路安全工作區特性 。針對目前1200V電壓等級以下的芯片由于片薄而存在的加工工藝困難的問題，又提出了一種“內透明集電極”結構，采用氦離子注入與外延相結合的方法，避免了超薄片加工技術來形成透明集電極。集電極區結構還對安全工作區特別是短路安全工作區特性有重要影響，針對短路安全工作區特性有特殊要求的應用，通過集電極區摻雜濃度和緩沖層注入效率的控制與優化，實現與關斷損耗的折中。
IGBT的正面MOS結構包括柵極與發射極區。柵極結構有平面柵(圖4(a))與溝槽柵(圖4(b))兩種。平面柵結構具有較好的柵氧化層質量，其柵電容較小，并且不會在柵極下方處造成電場集中而影響耐壓，在高壓IGBT(3300V及以上電壓等級)中被普遍采用。平面柵結構經過優化改進，可以進一步降低柵電容同時改進其他的工作特性，如降低柵存儲時間，降低開關損耗，還能減小短路安全工作區(SCSOA)測試中的柵電壓過沖[16]。而溝槽柵結構將溝道從橫向變為縱向，消除了導通電阻中RJFET的影響，還可以提高元胞密度，從而有利于降低功耗[17]，因此被廣泛應用于中低壓(1700V及以下電壓等級)產品中，但是溝槽刻蝕后表面粗糙，會影響載流子遷移率及造成電場集中，影響擊穿電壓，而且多晶硅柵面積增加，使柵電容增大，此外，由于電流密度增大導致其短路能力降低。為了減小柵電容并降低短路電流，需要對元胞結構進行優化設計，如圖5所示。三菱公司則提出了一種“元胞合并式” IGBT結構(plugged/dummy cells)[18-19](圖6)以降低飽和電流，提高短路能力，并抑制短路測試過程中的柵電壓振蕩現象。為了滿足不同的封裝需要，IGBT的柵極電極可以位于芯片中心、邊上中央及邊角處，對于焊接式封裝，這三種位置都可滿足要求，對于壓接式封裝，一般選擇將柵電極設置在邊角處。
IGBT技術
IGBT柵極技術
目前先進的增強型技術就是通過優化正面MOS結構，提高靠近發射極區一端的電子注入效率，從而優化導通壓降與關斷損耗的折中關系(圖7)。普遍采用的是載流子存儲層(Carrier Stored Layer，CSL)/空穴阻擋層結構(Hole Barrier Layer，HBL)，如圖8所示。從圖中可以看出，該結構通過在P-阱外圍設置一個N型摻雜區，將P-阱包圍起來。該摻雜區縮短了溝道長度，并增加了空穴載流子流向IGBT發射極的勢壘，這樣就在P-阱外圍形成了一個空穴的積累層，并增加了在導通狀態下電子從MOS溝道的注入效率，從而增強了該處的電導調制效應，可以大大地減小器件的導通損耗。在工藝實現上，可以采用自對準工藝，不增加光刻次數。但是，研究發現，P-阱下方的N摻雜區對芯片的耐壓性能不利。為了獲得更好的導通壓降與阻斷電壓的折中，研究開發了P阱旁N型摻雜技術，即在P-阱兩邊形成一對對稱的N摻雜區域，如圖9所示[23]。與載流子存儲層/空穴阻擋層結構技術相比，差別在于摻雜區沒有包圍P-阱的底部及其拐角處，因此，在有效降低芯片導通壓降的同時還最大程度地維持了芯片的耐壓能力。其他一些增強型措施包括通過優化溝槽元胞結構或者利用特殊溝槽結構來降低基區空穴被抽取的效率，達到電子注入增強的目的，在維持較低關斷損耗的同時降低導通損耗。
1200V IGBT的導通降壓與關斷損耗折的這折中關系
阱旁N型摻雜
IGBT、IGBT真空焊接爐、IGBT真空共晶爐、IGBT真空回流焊、金錫焊片、Au80Sn20焊、Au88Ge12、預置金錫蓋板、銦合金焊料片、錫銀銅SAC焊料片、無鉛焊料、Ag72Cu28、In52Sn48、銦銀合金焊片、Sn90Sb10、Sn63Pb37、錫鉛焊片、金基焊料 、銀基焊料、銦基焊料、金鍺焊料、金錫焊料封裝、金錫焊料、IGBT高潔凈焊片、預涂覆助焊劑焊片、SMT填充用焊片、預制焊錫片、Ag92.5Cu7.5焊片、Bi58Sn42焊片、Pb60In40焊片、In60Pb40焊片、Pb75In25焊片、In50Sn50焊片、低溫釬焊片、錫片、Zn95Al4Cu1焊片、In51Bi32.5Sn16.5焊片、In66.3Bi33.7焊片、Ag62Sn35Pb3焊片、Ag60Cu23Sn17焊片、Solder Preforms、Fluxless Solder、 solder ribbon
中科同志科技專業生產大功率IGBT真空設備，可代替德國進口IGBT真空爐，如果想了解更多信息，歡迎關注同志科技官網。
絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是在金屬氧化物場效應晶體管(MOSFET)和雙極晶體管(Bipolar)基礎上發展起來的一種新型復合功率器件，具有MOS輸入、雙極輸出功能。IGBT集Bipolar器件通態壓降小、載流密度大、耐壓高和功率MOSFET驅動功率小、開關速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好的優點于一身。作為電力電子變換器的核心器件，為應用裝置的高頻化、小型化、高性能和高可靠性奠定了基礎。
自IGBT商業化應用以來，作為新型功率半導體器件的主型器件，IGBT在1—100kHz的頻率應用范圍內占據重要地位，其電壓范圍為600V—6500V，電流范圍為1A—3600A(140mm x 190mm模塊)。IGBT廣泛應用于工業、4C(通信、計算機、消費電子、汽車電子)、航空航天、國防軍工等傳統產業領域以及軌道交通、新能源、智能電網、新能源汽車等戰略性新興產業領域。采用IGBT進行功率變換，能夠提高用電效率和質量，具有高效節能和綠色環保的特點，是解決能源短缺問題和降低碳排放的關鍵支撐技術，因此被稱為功率變流產品的“CPU”、“綠色經濟之核”。在未來很長一段時間內，為適應全球降低CO2排放的戰略需要，IGBT必將扮演更為重要的角色，是節能技術和低碳經濟的重要支點。
IGBT應用領域
目前，世界各大功率半導體公司對IGBT的研發熱潮日益高漲，研究步伐和技術革新日益加快，IGBT芯片的設計與生產廠家有英飛凌(Infineon)、 ABB、三菱(Mitsubishi Electric)、Dynex(中國南車，CSR)、IXYS Corporation、International Rectifier、Powerex、Philips、Motorola、Fuji Electric、Hitachi、Toshiba等，主要集中在歐、美、日等國家。因為種種原因，國內在IGBT技術研究開發方面雖然起步較早，但進展緩慢，特別是在IGBT產業化方面尚處于起步階段，作為全球最大的IGBT應用市場，IGBT模塊主要依賴進口。近年來，在國家宏觀政策的引導和組織下，國內企業通過各種途徑在IGBT芯片、模塊等領域已經取得很多可喜的進展，中國南車通過并購英國Dynex半導體，充分利用歐洲豐富的技術資源，成立功率半導體海外研發中心，迅速掌握了先進的1200V-6500V IGBT芯片設計、工藝制造及模塊封裝技術，并且在株洲建設了一條先進的8英寸IGBT芯片及其封裝生產線。并將于2014年初實現IGBT芯片量產。中科同志科技生產的IGBT真空共晶爐，助力各大IGBT工廠，用專業的技術和工藝為國產IGBT產品添磚加瓦。
在模塊封裝技術方面，國內基本掌握了傳統的焊接式封裝技術，其中中低壓IGBT模塊封裝廠家較多，高壓IGBT模塊封裝主要集中在南車與北車兩家公司。與國外公司相比，技術上的差距依然存在。國外公司基于傳統封裝技術相繼研發出多種先進封裝技術，能夠大幅提高模塊的功率密度、散熱性能與長期可靠性，并初步實現了商業應用。中科同志的IGBT真空封裝技術已經在BYD等大型IGBT公司經過長期驗證。
2 技術現狀
2.1 IGBT芯片技術
IGBT（真空共晶爐）芯片在結構上是由數萬個元胞(重復單元)組成，工藝上采用大規模集成電路技術和功率器件技術制造而成[2]。每個元胞結構如下圖2所示，可將其分成體結構、正面MOS結構及背面集電極區結構三部分。
IGBT元件結構
商用IGBT的體結構設計技術的發展經歷了從穿通(Punch Through，PT)到非穿通(Non Punch Through，NPT)，再到軟穿通(Soft Punch Through，SPT)的過程，如圖3所示[3]。而在穿通結構之前，IGBT的體結構是基于厚晶圓擴散工藝的非穿通結構，背部空穴的注入效率很高，由于器件內部的寄生晶閘管結構，IGBT在工作時容易發生閂鎖，因此很難實現商用。隨著外延技術的發展，引入了N型緩沖層形成穿通結構，降低了背部空穴注入效率，并實現了批量應用，但由于外延工藝的特點，限制了高壓IGBT的發展，其最高電壓等級為1700V。隨著區熔薄晶圓技術發展，基于N型襯底的非穿通結構IGBT推動了電壓等級不斷提高，并通過空穴注入效率控制技術使IGBT具有正溫度系數，能夠較好地實現并聯應用，提高了應用功率等級。隨著電壓等級不斷提高，芯片襯底厚度也迅速增加，并最終導致通態壓降增大，為了優化通態壓降與耐壓的關系，局部穿通結構應運而生，ABB稱之為軟穿通(Soft Punch Through，SPT)[4]，英飛凌稱之為電場截止(Field Stop，FS)[5]，三菱稱之為弱穿通(Light Punch Through， LPT)[6]，IXYS稱之為超薄穿通(eXtremely light Punch Through，XPT)，以及其他的薄穿通(Thin Punch Through， TPT)和受控穿通(Controlled Punch Through， CPT)[7]等各種不同的稱呼。在相同的耐壓能力下，軟穿通結構可比非穿通結構的芯片厚度降低30%，同時還保持了非穿通結構的正溫度系數的特點。近年來出現的各種增強型技術及超薄片技術都是基于軟穿通的體結構的，目前600V電壓等級軟穿通IGBT芯片的厚度可以達到70um。
75A/1200V IGBT芯片發展（125℃）
IGBT的集電極區結構影響著PNP晶體管的增益，對正向壓降與關斷損耗都有重要的影響。早期的穿通型IGBT其集電極區結深較大，空穴注入效率很大，容易發生閂鎖效應，必須采用局部壽命控制技術來控制背部空穴注入效率，但是卻因此面導致了導通壓降的負溫度系數，不利于并聯應用。后來出現的非穿通型IGBT，采用了透明集電極結構，
控制了空穴注入，免除了局部壽命控制，實現了導通壓降的正溫度系數，這一結構技術一直沿用至今，并通過優化改進以提高關斷速度及短路安全工作區特性 。針對目前1200V電壓等級以下的芯片由于片薄而存在的加工工藝困難的問題，又提出了一種“內透明集電極”結構，采用氦離子注入與外延相結合的方法，避免了超薄片加工技術來形成透明集電極。集電極區結構還對安全工作區特別是短路安全工作區特性有重要影響，針對短路安全工作區特性有特殊要求的應用，通過集電極區摻雜濃度和緩沖層注入效率的控制與優化，實現與關斷損耗的折中。
IGBT的正面MOS結構包括柵極與發射極區。柵極結構有平面柵(圖4(a))與溝槽柵(圖4(b))兩種。平面柵結構具有較好的柵氧化層質量，其柵電容較小，并且不會在柵極下方處造成電場集中而影響耐壓，在高壓IGBT(3300V及以上電壓等級)中被普遍采用。平面柵結構經過優化改進，可以進一步降低柵電容同時改進其他的工作特性，如降低柵存儲時間，降低開關損耗，還能減小短路安全工作區(SCSOA)測試中的柵電壓過沖[16]。而溝槽柵結構將溝道從橫向變為縱向，消除了導通電阻中RJFET的影響，還可以提高元胞密度，從而有利于降低功耗[17]，因此被廣泛應用于中低壓(1700V及以下電壓等級)產品中，但是溝槽刻蝕后表面粗糙，會影響載流子遷移率及造成電場集中，影響擊穿電壓，而且多晶硅柵面積增加，使柵電容增大，此外，由于電流密度增大導致其短路能力降低。為了減小柵電容并降低短路電流，需要對元胞結構進行優化設計，如圖5所示。三菱公司則提出了一種“元胞合并式” IGBT結構(plugged/dummy cells)[18-19](圖6)以降低飽和電流，提高短路能力，并抑制短路測試過程中的柵電壓振蕩現象。為了滿足不同的封裝需要，IGBT的柵極電極可以位于芯片中心、邊上中央及邊角處，對于焊接式封裝，這三種位置都可滿足要求，對于壓接式封裝，一般選擇將柵電極設置在邊角處。
IGBT技術
IGBT柵極技術
目前先進的增強型技術就是通過優化正面MOS結構，提高靠近發射極區一端的電子注入效率，從而優化導通壓降與關斷損耗的折中關系(圖7)。普遍采用的是載流子存儲層(Carrier Stored Layer，CSL)/空穴阻擋層結構(Hole Barrier Layer，HBL)，如圖8所示。從圖中可以看出，該結構通過在P-阱外圍設置一個N型摻雜區，將P-阱包圍起來。該摻雜區縮短了溝道長度，并增加了空穴載流子流向IGBT發射極的勢壘，這樣就在P-阱外圍形成了一個空穴的積累層，并增加了在導通狀態下電子從MOS溝道的注入效率，從而增強了該處的電導調制效應，可以大大地減小器件的導通損耗。在工藝實現上，可以采用自對準工藝，不增加光刻次數。但是，研究發現，P-阱下方的N摻雜區對芯片的耐壓性能不利。為了獲得更好的導通壓降與阻斷電壓的折中，研究開發了P阱旁N型摻雜技術，即在P-阱兩邊形成一對對稱的N摻雜區域，如圖9所示[23]。與載流子存儲層/空穴阻擋層結構技術相比，差別在于摻雜區沒有包圍P-阱的底部及其拐角處，因此，在有效降低芯片導通壓降的同時還最大程度地維持了芯片的耐壓能力。其他一些增強型措施包括通過優化溝槽元胞結構或者利用特殊溝槽結構來降低基區空穴被抽取的效率，達到電子注入增強的目的，在維持較低關斷損耗的同時降低導通損耗。
1200V IGBT的導通降壓與關斷損耗折的這折中關系
阱旁N型摻雜
IGBT、IGBT真空焊接爐、IGBT真空共晶爐、IGBT真空回流焊、金錫焊片、Au80Sn20焊、Au88Ge12、預置金錫蓋板、銦合金焊料片、錫銀銅SAC焊料片、無鉛焊料、Ag72Cu28、In52Sn48、銦銀合金焊片、Sn90Sb10、Sn63Pb37、錫鉛焊片、金基焊料 、銀基焊料、銦基焊料、金鍺焊料、金錫焊料封裝、金錫焊料、IGBT高潔凈焊片、預涂覆助焊劑焊片、SMT填充用焊片、預制焊錫片、Ag92.5Cu7.5焊片、Bi58Sn42焊片、Pb60In40焊片、In60Pb40焊片、Pb75In25焊片、In50Sn50焊片、低溫釬焊片、錫片、Zn95Al4Cu1焊片、In51Bi32.5Sn16.5焊片、In66.3Bi33.7焊片、Ag62Sn35Pb3焊片、Ag60Cu23Sn17焊片、Solder Preforms、Fluxless Solder、 solder ribbon
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