IGBT芯片及模塊的發(fā)展

1、摘要：絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是由雙極型三極管和絕緣柵型場效應(yīng)管合成的復(fù)合型全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，具有絕緣柵型場效應(yīng)管的高輸入阻抗及雙極型三極管的低導(dǎo)通壓降、以及驅(qū)動電路簡單、安全工作區(qū)寬等優(yōu)點，作為電力電子系統(tǒng)的核心開關(guān)器件， IGBT起了不可取代的關(guān)鍵的作用。本文主要針對IGBT的發(fā)展歷程和國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀、闡述了一些先進的芯片技術(shù)和新結(jié)構(gòu)、新材料及模塊封裝技術(shù)。描述了IGBT芯片和模塊的發(fā)展方向。1.引 言全球能源危機及氣候變暖的威脅使人們在追求經(jīng)濟發(fā)展的同時越來越重視綠色環(huán)保，節(jié)能減排。電力電子是節(jié)能減排的王牌技術(shù)，從電能產(chǎn)生、電能傳 輸、電能使用到電能管理，滲透到工業(yè)、交

2、通、通信、能源等各個領(lǐng)域，發(fā)揮著舉足輕重的作用。電力電子器件是電力電子裝置和系統(tǒng)的“綠色的芯”。目前我國新 型的電力電子器件主要代表是IGBT、VDMOS 和FRED等高頻器件，而新材料的電力電子器件的主要代表是SiC及GaN器件。本文重點針對IGBT發(fā)展歷史、現(xiàn)狀、新結(jié)構(gòu)、新材料及其新封裝技術(shù)做一 些闡述。2.IGBT是節(jié)能減排的王牌器件作為新型高頻大功率電力半導(dǎo)體器件代表的IGBT自 1982年問世以來，在國民經(jīng)濟的各行各業(yè)得到的廣泛的應(yīng)用：如工業(yè)領(lǐng)域中的電機變頻調(diào)速、逆變焊機、各種開關(guān)電源等;家用電器中的變頻空調(diào)、洗衣機和電 冰箱等;交通領(lǐng)域的動車、輕軌和地鐵等;新能源領(lǐng)域中的光伏逆變、

3、風(fēng)能變流和電動汽車等;還包括醫(yī)學(xué)、智能電網(wǎng)、航天航空及軍事領(lǐng)域。僅以汽車引擎系統(tǒng)、 電機的調(diào)速驅(qū)動和節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器為例，在過去的20年時間內(nèi)，由于在這些電力電子裝備中采用了IGBT器件，如表1所示，為美國用戶累計節(jié)省了2.7萬 億美元，減少了35萬億磅的二氧化碳排放;如表2所示，為全球客戶累計節(jié)省了15.8萬億美元和減少了78萬億磅的二氧化碳排放1?？梢姡琁GBT器 件對節(jié)能減排做出的巨大貢獻，對世界經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)生了巨大而深遠的影響。3. IGBT的發(fā)展歷史及國內(nèi)外現(xiàn)狀3.1 IGBT的發(fā)展歷史IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)即絕緣柵雙極

4、晶體管，是一種復(fù)合了BJT優(yōu)點的功率MOS型器件，它既具有功率MOSFET的高速開關(guān)和電壓驅(qū)動特性，又兼具有雙 極型晶體管的低飽和壓降特性及承載較大電流能力的特點，且具有高耐壓能力。由于其優(yōu)良的綜合性能，自問世以來，引起了世界許多半導(dǎo)體廠家和研究者的重視， 國際上各大半導(dǎo)體公司都投入巨資開發(fā)IGBT器件。自IGBT研制成功以來，隨著工藝技術(shù)不斷改進和提高，電性能參數(shù)和可靠性日趨完善。以英飛凌公司IGBT為例，回顧IGBT芯片發(fā)展軌跡，如圖1所示。最早出現(xiàn)的是平面柵穿通(PT)型IGBT，這時期的IGBT電壓還比較低(600-1200V左右)，基區(qū)厚度通常在幾十微米到一百多微米，采用的是N型厚外

5、延層。需要采用重金屬摻雜和電子輻照少數(shù)載流子壽命控制技術(shù)，以提高器件的開關(guān)速度;具有負溫度系數(shù)，因此不利于器件的并聯(lián)使用，而且器件的短路能力較差。英飛凌的第一代IGBT直接從非穿通(NPT)型IGBT開始，在這一時期，IGBT產(chǎn)品不斷向高壓化發(fā)展，采用了電阻率高的FZ(區(qū)熔)單晶 替換了昂貴的外延片，使得晶體完整性和均勻性得到充分滿足。在硅片背面用注入和退火的方法可以形成發(fā)射效率較低的P型層。NPT結(jié)構(gòu)的采用使得IGBT幾 乎在全電流范圍的工作區(qū)內(nèi)都是呈現(xiàn)正電阻溫度系數(shù)，便于器件并聯(lián)使用，而且這使NPT的制造成本大幅度降低，約為PT型的3/4。英飛凌第二代IGBT在N型漂移區(qū)引入了電場阻斷(F

6、ield-Stop)層。其硅片厚度比NPT型器件薄約1/3，并且它保持了正電阻溫度系 數(shù)的優(yōu)點。FS型結(jié)構(gòu)設(shè)置的N型緩沖層摻雜濃度比PT結(jié)構(gòu)的N+層低，但比基區(qū)N層濃度高，電場在其中的分布呈斜角梯形。由于較薄的漂移層中的過剩載流子 減少，IGBT在關(guān)斷時沒有拖尾電流。上述三種類型IGBT在通態(tài)損耗、開關(guān)損耗、并聯(lián)應(yīng)用及短路能力上的比較如表3所示。第三代IGBT是在FS-IGBT的基礎(chǔ)上引入溝槽柵，這是當(dāng)前國外半導(dǎo)體廠商普遍采用的結(jié)構(gòu)組合，柵極采用了溝槽技術(shù)，工作電流從N漂移區(qū) (基區(qū))直接流進垂直溝道而進入源區(qū)，于是，這種IGBT的通態(tài)壓降消除了JFET區(qū)域串聯(lián)電阻的影響，優(yōu)化了器件表面的載流

7、子分布，改善了器件的導(dǎo)通特 性和電流密度。第四代IGBT是在第三代的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化電場阻擋層的厚度和濃度的方法，進一步減小通態(tài)壓降，減小開關(guān)損耗，增加開關(guān)軟度，擴展器件安全工作區(qū)的面積，而短路電流能力同第三代。英飛凌各代IGBT產(chǎn)品技術(shù)曲線比較如圖2所示，各代產(chǎn)品也針對應(yīng)用市場不同分為高功率(P)、中功率(E)和低功率(T)。可以看出第四代低功率IGBT(T4)最接近原點，其開關(guān)損耗與T3和E4相比，減小了20%左右。英飛凌正在開發(fā)第五代、第六代，主要側(cè)重點放在結(jié)溫的提升、動態(tài)鉗制的改善2， 及可靠性的提升上。目前，高耐壓、大電流、高速度、低壓降、高可靠性、低成本是IGBT器件的發(fā)展趨勢。經(jīng)

8、過三十年的持續(xù)奮斗，不斷探索與創(chuàng)新，現(xiàn)代IGBT的參數(shù)折衷達到了極高的水平，已可能成為近20年中最有普及價值的電力電子主力器件。目前尚無其它大功率高頻器件可以代替IGBT。3.2 IGBT國內(nèi)外現(xiàn)狀目前國外生產(chǎn)IGBT的公司基本都已經(jīng)掌握了FS+溝槽柵IGBT技術(shù)，且芯片生產(chǎn)線能夠滿足現(xiàn)代IGBT技術(shù)要求，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，推出不同系列不同技術(shù)規(guī)格的600 - 6500V IGBT分立器件及模塊。由于設(shè)備及工藝水平等因素的影響，國內(nèi)600V IGBT技術(shù)還停留在PT型結(jié)構(gòu)。1200-1700V IGBT技術(shù)水平還處在NPT+平面柵或者NPT+溝槽柵技術(shù)水平，且真正意義上實現(xiàn)量產(chǎn)IGBT的企業(yè)

9、鳳毛麟角。各大院校及研究所做了大量的工作，為以 后工作做了良好的前期準備工作。大多數(shù)芯片代工廠只能進行芯片正面工藝加工，極少數(shù)能進行IGBT全流程加工的代工廠，暫時也沒有能力加工FS型IGBT 器件。江蘇宏微科技股份有限公司目前已經(jīng)可以投入量產(chǎn)的芯片有平面柵600V PT IGBT 和平面柵1200V、1700V NPT IGBT，電流有25A、40A、50A、75A、100A，。正在研發(fā)的有溝槽型IGBT、FS-IGBT及更高電壓的IGBT。與國外公司相比，國產(chǎn)IGBT器件的系列化方面還需要大大加強。要針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域，推出不同的IGBT器件。4 IGBT新技術(shù)、衍生器件和新材料4.1 發(fā)

10、射極端載流子濃度增強該技術(shù)主要就是在P阱區(qū)和N-漂移區(qū)內(nèi)增加一層N型載流子存儲層。根據(jù)載流子平衡原理，N型載流子存儲層將阻止并存儲從P+襯底發(fā)射過來的空 穴，進而顯著降低通態(tài)壓降，但因為空穴位置離發(fā)射極很近，一旦關(guān)斷，又很快被抽走，所以對關(guān)斷速度幾乎沒有什么影響，比傳統(tǒng)的IGBT損耗更低，更好地實 現(xiàn)了通態(tài)壓降和關(guān)斷損耗的折衷。該技術(shù)在不同的公司有不同的命名。Hitachi稱之為 HiGT， ABB稱之為EP，Mitsubishi稱之為CSTBT3，Toshiba稱之為IEGT。以CSTBT結(jié)構(gòu)為例，如圖3所示。4.2 集電極低空穴注入該技術(shù)主要就是通過控制集電極段的P+層的空穴發(fā)射效率來減小

11、拖尾電流和開關(guān)時間，減小關(guān)斷時器件的di/dt和電壓尖峰，減小EMI以進一步 優(yōu)化器件特性。英飛凌使用的是FS技術(shù)，F(xiàn)airchild推出的是Quick PT，ABB推出的是Controlled PT，簡稱CPT。CPT結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，通過兩層N型層對空穴注入進行控制調(diào)制。N1 CPT緩沖層的主要作用是阻擋電場。N2 CPT緩沖層的主要作用是調(diào)節(jié)空穴注入效率。以1200V IGBT為例，采用CPT技術(shù)可使硅片厚度由128um減小到100um4。宏微科技提出了在絕緣柵雙極晶體管硅片背面分別進行N型離子注入、P型離子注入、N型離子注入以及P型離子注入5，以構(gòu)成P/ N/ P/N+多級發(fā)射區(qū)和

12、阻擋區(qū)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，通過合理調(diào)整N型和P型離子注入劑量和注入能量，使P型第一發(fā)射區(qū)與背面金屬保證良好的歐姆接觸，N型第一阻擋 區(qū)能調(diào)節(jié)P型第一發(fā)射區(qū)的空穴注入效率，控制集電極注入空穴的濃度，P型第二發(fā)射區(qū)提供漂移區(qū)內(nèi)的空穴注入，起到電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通過二級發(fā)射區(qū)和一級阻擋 區(qū)的控制，實現(xiàn)對漂移區(qū)內(nèi)的空穴分布精確控制的目的，通過N型第二阻擋區(qū)能進一步調(diào)節(jié)上述兩級發(fā)射區(qū)的空穴注入效率，同時可阻擋來自于正面的電場，提高器 件的擊穿電壓，只需要在常規(guī)NPT-IGBT背面工藝流程的基礎(chǔ)上利用多次離子注入工藝，使其背面形成P/ N/ P/N+多級發(fā)射區(qū)和阻擋區(qū)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，工藝成本不會明顯增加，很好地協(xié)調(diào)了

13、絕緣柵雙極晶體管的通態(tài)壓降和開關(guān)速度的關(guān)系。以1200V NPT IGBT為例，實驗結(jié)果如圖5所示，技術(shù)曲線比常規(guī)NPT-IGBT更接近原點，保持相同的關(guān)斷時間，通態(tài)壓降可以減小30%左右。4.3 超深結(jié)FS IGBT該技術(shù)的做法就是將IGBT和COOL MOS相結(jié)合，結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，在N型漂移區(qū)內(nèi)做很多P型深結(jié)區(qū)，該區(qū)域根據(jù)載流子平衡原理，增加了N型漂移區(qū)的電子存儲，減小了N型漂移區(qū)的電 阻，從而減小通態(tài)壓降，而關(guān)斷時，多余電子和空穴快速復(fù)合，再配合FS特性，又能保證關(guān)斷損耗較小。合理選擇P型深結(jié)區(qū)的濃度和寬度，可以保證電壓足夠使 用要求，且可將橫向和縱向電場分布都調(diào)整得比較均勻，保證

14、器件的可靠性。4.4 逆導(dǎo)IGBTIGBT在使用過程中往往需要外接一個反并聯(lián)的二極管作為續(xù)流，逆導(dǎo)IGBT就是將這個反并聯(lián)二極管和IGBT集成在一個芯片上，適合于低成本 的軟開關(guān)應(yīng)用(諧振電路)。逆導(dǎo)IGBT的面積大于標(biāo)準IGBT芯片面積，但小于分離的IGBT和二極管芯片面積之和。因此，用逆導(dǎo)IGBT可以節(jié)省芯片 的面積，從而節(jié)省粘片、打線、測試和封裝成本，DBC面積也可以縮小，封裝自由度更大。RC-IGBT的結(jié)構(gòu)如圖7所示，它是在一個IGBT內(nèi)部加入一個 自由交換二極管，在背面形成平行的N區(qū)和P區(qū)，取代傳統(tǒng)的N-緩沖區(qū)和P集電區(qū)結(jié)構(gòu)，這樣就使得在集電極-發(fā)射極電壓反向偏置的時候IGBT同樣能

15、傳導(dǎo)電 流，從而就形成了IGBT的反向?qū)?，即所謂的逆導(dǎo)IGBT。4.5 逆阻IGBT當(dāng)前，在變頻電源領(lǐng)域，正在大力發(fā)展矩陣式變換器，它要求功率開關(guān)器件具備反向阻斷功能。逆阻IGBT(RB-IGBT)6，是在NPT- IGBT的基礎(chǔ)上衍生出來的一種新型器件，它的內(nèi)部取消了傳統(tǒng)IGBT的反并聯(lián)二極管，正、反向均可承受電壓，即在阻斷電壓方面是正、反對稱型的，這就意 味著這樣的單片IGBT，芯片是把傳統(tǒng)的IGBT同二極管串聯(lián)組合而成的，從而實現(xiàn)了反向阻斷功能。RB-IGBT的結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示，左側(cè)部分是一 個傳統(tǒng)的IGBT，右側(cè)是一個貫穿器件的p型摻雜區(qū)，相當(dāng)于串聯(lián)了一個二極管，提高了器件反向阻

16、斷的能力。圖8(b)所示的是在柵極電壓VGE=15V的條件下，RB-IGBT的I-V特性。額定電流在25 100A時，導(dǎo)通正向壓降VCE(sat)為2.65V至在125時3.01V ，與一個IGBT串聯(lián)一個二極管相比較還是比較低的。因此，作為雙向開關(guān)的RB-IGBT可以有效減少通態(tài)損耗。而通態(tài)壓降VCE(sat)正導(dǎo)熱系數(shù)有 利于芯片并聯(lián)，應(yīng)用于大功率領(lǐng)域。4.6 雙向IGBT雙向IGBT可實現(xiàn)雙向?qū)ê碗p向阻斷，其正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，更適合矩陣式變換器中?？梢怨?jié)省兩個二極管。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所 示。從雙向IGBT的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，可以得出一個結(jié)論，即雙向IGBT的電學(xué)特性在

17、兩個方向上都具有良好的對稱性。從圖10中可以看出，當(dāng)Ice =2A時，器件的頂部和底部正向電壓分別為Vce=4.4V，Vce=4.2V。器件頂部和底部的正向電壓不匹配，不匹配率大約為4.6%7。4.7 SiC IGBT為什么選擇碳化硅材料，硅和碳化硅材料性質(zhì)對比如表4所示，SiC材料的能帶寬度寬的特點決定了SiC器件在高的工作溫度和功率密度下，保持較 小的漏電流。高的臨界場強能獲得高的阻斷電壓和低的導(dǎo)通阻抗。電子飽和速率快則便于實現(xiàn)快速開關(guān)功率器件。而高的熱導(dǎo)率則表現(xiàn)出卓越的散熱能力，對于提高 器件結(jié)溫有重要的作用。利用SiC為襯底材料，較硅材料襯底，通態(tài)壓降可以顯著降低，器件面積和系統(tǒng)尺寸都

18、能大大縮小，且保持良好的溫度特性。SiC IGBT結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示，IGBT是由一個縱向的NPN管和一個P溝道MOS并聯(lián)而成的。英飛凌公司預(yù)計第7代IGBT將利用SiC材料，2018年實現(xiàn)量產(chǎn)，結(jié)溫可以提高到200，功率密度提高到250kW/cm2左右?，F(xiàn)在 SiC MOSFET已經(jīng)可以逐漸替代Si IGBT了，SiC-IGBT 的誕生將會在大功率應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)取代現(xiàn)有的SCR和GTO。富士預(yù)計2014年可以完成SiC IGBT的研發(fā)，2018年實現(xiàn)量產(chǎn)。圖12為英飛凌公司其產(chǎn)品針對功率和頻率應(yīng)用的全覆蓋，虛線框內(nèi)的SiC模塊和GaN器件將作為未來發(fā)展的方向。5.IGBT模塊封裝新技術(shù)5.1

19、 納米銀燒結(jié)和SKIN技術(shù)近些年來，工業(yè)和學(xué)術(shù)界一直在研究如何在模塊中避免使用鍵合線?，F(xiàn)在大部分的模塊封裝一直也是使用焊料、壓焊和嵌入式連接。SKIN技術(shù)是一項 技術(shù)的革新,通過使用銀表面燒結(jié)連接的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊料燒結(jié)、鍵合線。其中芯片是雙面燒結(jié)，DBC全部焊接到散熱底板上，如圖13所示。所以器件有很高 的功率密度，很好的散熱，與傳統(tǒng)封裝技術(shù)相比，電性能和可靠性都很高。銀燒結(jié)技術(shù)建立在芯片和DBC板之間的焊接。由于其高的可靠性和熱特性，它讓功率模塊可以適用于溫度更高的應(yīng)用環(huán)境，比如電動汽車和風(fēng)力渦輪 機。但是如何取代芯片上的鍵合線，如何連接功率模塊與散熱底板的問題仍然沒有得到解決。SKIN技

20、術(shù)利用銀燒結(jié)技術(shù)解決了以上兩個問題。SKIN技術(shù)在芯片和DBC的上下表面都做銀燒結(jié)，并在芯片的上表面燒結(jié)一層flex layer，這個flex layer層下面是金屬銀，這種結(jié)構(gòu)與鍵合線的直徑相比較，顯然可以用來導(dǎo)電的面積更大，可靠性更高。門極上方通過打通孔來實現(xiàn)走線，柵極走線和芯片表面 這兩層金屬層之間通過涂抹聚酰胺來實現(xiàn)絕緣。SIKN技術(shù)有如下的優(yōu)點：1)用銀金屬層可以增大功率密度，減小芯片和焊料之間的熱阻。芯片表面大面積的金屬層可以讓芯片更好的散熱。2)用銀的flex foil層代替鋁鍵合線可以增加功率循環(huán)的次數(shù)，因為這兩種材料的CTE更加匹配，芯片表面之間互聯(lián)的面積更大。3)用銀的fl

21、ex foil層代替鋁鍵合線可以增加芯片之間互聯(lián)線的接觸面積，通過表面圖形的設(shè)計減小模塊的雜散電感，使其電性能得到提高。用Flex layer和鋁線最大的區(qū)別就是與芯片表面的接觸面積，鋁線與芯片表面的接觸面積僅占芯片表面積的21%，而用flex layer覆蓋率卻可以達到50%-85%。圖14 顯示了最初的測試結(jié)果。在功率循環(huán)測試中，普通模塊可以承受60K次循環(huán)，達到了預(yù)期的要求。用SKIN技術(shù)的模塊遠遠超過了預(yù)期的標(biāo)準，功率循環(huán)的次數(shù)是普通標(biāo)準的20倍，達到了700K以上,而且循環(huán)的溫度是從70°C到150°C 8。5.2 雙面散熱技術(shù)作者早在2000年就提出了在功率半導(dǎo)

22、體管芯上下面同時采用DBC板燒結(jié)進行雙面散熱的技術(shù)。采用這種結(jié)構(gòu)封裝的模塊工藝簡單，可以通過上下兩 個面采取冷卻措施，更易于降低芯片工作的結(jié)溫，可以提高散熱效率30%以上，從而提高了PC循環(huán)次數(shù)。圖15顯示三種不同的封裝形式。根據(jù)以上三種被測封裝結(jié)構(gòu)，分別對其進行測試，圖16 給出了測試結(jié)果，在Tjc=30的情況下，b封裝與c封裝的電流處理能力分別比a封裝提高65%與84%，另外，在1秒之后熱阻達到穩(wěn)態(tài)，a封裝的熱 阻為0.52 /W, b封裝的熱阻為0.41/W, c封裝的熱阻為0.35/W, b與c封裝的熱阻分別比a封裝小21%和33%，最后，我們都了解，在高頻開關(guān)的情況下，IGBT的開通

23、與關(guān)斷的損耗尤為重要，電流會隨著開關(guān)頻率的升高 而下降，更低熱阻的封裝會提供更高的電流處理能力，在相同的頻率下，b與c 封裝的電流分別比a封裝大25%與37%。雙面散熱技術(shù)使得封裝更加小型和緊湊,降低熱阻,提高功率處理能力,提高開關(guān)頻率,而且由于省去了鍵合引線,所以使得IGBT模塊的可靠性與開關(guān)特性也有所提高,此技術(shù)也可以用于低壓的功率器件,以此降低其導(dǎo)通電阻,也可以用于一些兩面都有接觸的雙向器件 7 。6.IGBT發(fā)展方向及工作重心IGBT技術(shù)發(fā)展目標(biāo)是：大電流、高電壓、低損耗、高頻率、功能集成化和智能化、高可靠性。傳動領(lǐng)域(例如電力牽引機車)和智能電網(wǎng)領(lǐng)域都需要大功率IGBT的應(yīng)用，英飛凌、東芝、三菱、