IGBT芯片及模块的发展

1.引 言 全球能源危机及气候变暖的威胁使人们在追求经济发展的同时越来越重视 绿色环保， 节能减排。 电力电子是节能减排的王牌技术， 从电能产生、 电能传 输、 电能使用到电能管理，渗透到工业、交通、通信、能源等各个领域，发挥着举足 轻重的作用。电力电子器件是电力电子装置和系统的“绿色的芯”。目前我国新 型的电力电子器件主要代表是 IGBT、VDMOS 和 FRED 等高频器件，而新材料的电 力电子器件的主要代表是 SiC 及 GaN 器件。本文重点针对 IGBT 发展历史、现状、 新结构、新材料及其新封装技术做一 些阐述。 是节能减排的王牌器件 作为新型高频大功率电力半导体器件代表的 IGBT 自 1982 年问世以来，在 国民经济的各行各业得到的广泛的应用：如工业领域中的电机变频调速、逆变焊 机、各种开关电源等;家用电器中的变频空调、洗衣机和电 冰箱等;交通领域的 动车、轻轨和地铁等;新能源领域中的光伏逆变、风能变流和电动汽车等;还包括 医学、智能电网、航天航空及军事领域。仅以汽车引擎系统、 电机的调速驱动 和节能灯电子镇流器为例，在过去的 20 年时间内，由于在这些电力电子装备中 采用了 IGBT 器件，如表 1 所示，为美国用户累计节省了万 亿美元，减少了 35 万亿磅的二氧化碳排放;如表 2 所示，为全球客户累计节省了万亿美元和减少了 78 万亿磅的二氧化碳排放[1]。可见，IGBT 器 件对节能减排做出的巨大贡献， 对世界经济的可持续发展的产生了巨大而深远的影响。 3. IGBT 的发展历史及国内外现状 IGBT 的发展历史 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)即绝缘栅双极晶体管，是一种 复合了 BJT 优点的功率 MOS 型器件，它既具有功率 MOSFET 的高速开关和电压驱 动特性， 又兼具有双 极型晶体管的低饱和压降特性及承载较大电流能力的特点， 且具有高耐压能力。由于其优良的综合性能，自问世以来，引起了世界许多半导 体厂家和研究者的重视， 国际上各大半导体公司都投入巨资开发 IGBT 器件。自 IGBT 研制成功以来，随着工艺技术不断改进和提高，电性能参数和可靠性日趋 完善。 以英飞凌公司 IGBT 为例，回顾 IGBT 芯片发展轨迹，如图 1 所示。 最早出现的是平面栅穿通(PT)型 IGBT，这时期的 IGBT 电压还比较低 (600-1200V 左右)，基区厚度通常在几十微米到一百多微米，采用的是 N 型厚外 延层。需要采用重金属掺杂和电子辐照少数载流子寿命控制技术，以提高器件的 开关速度;具有负温度系数，因此不利于器件的并联使用，而且器件的短路能力 较差。 英飞凌的第一代 IGBT 直接从非穿通(NPT)型 IGBT 开始，在这一时期，IGBT 产品不断向高压化发展，采用了电阻率高的 FZ(区熔)单晶 替换了昂贵的外延 片，使得晶体完整性和均匀性得到充分满足。在硅片背面用注入和退火的方法可 以形成发射效率较低的 P 型层。NPT 结构的采用使得 IGBT 几 乎在全电流范围的 工作区内都是呈现正电阻温度系数，便于器件并联使用，而且这使 NPT 的制造成 本大幅度降低，约为 PT 型的 3/4。 英飞凌第二代 IGBT 在 N 型漂移区引入了电场阻断(Field-Stop)层。其硅片 厚度比 NPT 型器件薄约 1/3，并且它保持了正电阻温度系 数的优点。FS 型结构 设置的 N 型缓冲层掺杂浓度比 PT 结构的 N+层低，但比基区 N 层浓度高，电场在 其中的分布呈斜角梯形。由于较薄的漂移层中的过剩载流子 减少，IGBT 在关断 时没有拖尾电流。上述三种类型 IGBT 在通态损耗、开关损耗、并联应用及短路 能力上的比较如表 3 所示。 第三代 IGBT 是在 FS-IGBT 的基础上引入沟槽栅，这是当前国外半导体厂商 普遍采用的结构组合，栅极采用了沟槽技术，工作电流从 N 漂移区 (基区)直接 流进垂直沟道而进入源区， 于是， 这种 IGBT 的通态压降消除了 JFET 区域串联电 阻的影响， 优化了器件表面的载流子分布， 改善了器件的导通特 性和电流密度。 第四代 IGBT 是在第三代的基础上，通过优化电场阻挡层的厚度和浓度的方 法，进一步减小通态压降，减小开关损耗，增加开关软度，扩展器件安全工作区 的面积，而短路电流能力同第三代。 英飞凌各代 IGBT 产品技术曲线比较如图 2 所示，各代产品也针对应用市场 不同分为高功率(P)、中功率(E)和低功率(T)。可以看出第四代低功率 IGBT(T4) 最接近原点，其开关损耗与 T3 和 E4 相比，减小了 20%左右。 英飞凌正在开发第五代、第六代，主要侧重点放在结温的提升、动态钳制的 改善[2]， 及可靠性的提升上。 目前，高耐压、大电流、高速度、低压降、高可靠性、低成本是 IGBT 器件 的发展趋势。经过三十年的持续奋斗，不断探索与创新，现代 IGBT 的参数折衷 达到了极高的水平，已可能成为近 20 年中最有普及价值的电力电子主力器件。 目前尚无其它大功率高频器件可以代替 IGBT。 IGBT 国内外现状 目前国外生产 IGBT 的公司基本都已经掌握了 FS+沟槽栅 IGBT 技术，且芯片 生产线能够满足现代 IGBT 技术要求，根据不同的应用要求，推出不同系列不同 技术规格的 600 - 6500V IGBT 分立器件及模块。 由于设备及工艺水平等因素的影响，国内 600V IGBT 技术还停留在 PT 型结 构。1200-1700V IGBT 技术水平还处在 NPT+平面栅或者 NPT+沟槽栅技术水平， 且真正意义上实现量产 IGBT 的企业凤毛麟角。各大院校及研究所做了大量的工 作，为以 后工作做了良好的前期准备工作。大多数芯片代工厂只能进行芯片正 面工艺加工，极少数能进行 IGBT 全流程加工的代工厂，暂时也没有能力加工 FS 型 IGBT 器件。江苏宏微科技股份有限公司目前已经可以投入量产的芯片有平面 栅 600V PT IGBT 和平面栅 1200V、1700V NPT IGBT，电流有 25A、40A、50A、 75A、100A，。正在研发的有沟槽型 IGBT、FS-IGBT 及更高电压的 IGBT。 与国外公司相比，国产 IGBT 器件的系列化方面还需要大大加强。要针对不 同的应用领域，推出不同的 IGBT 器件。 4 IGBT 新技术、衍生器件和新材料 发射极端载流子浓度增强 该技术主要就是在 P 阱区和 N-漂移区内增加一层 N 型载流子存储层。根据 载流子平衡原理，N 型载流子存储层将阻止并存储从 P+衬底发射过来的空 穴， 进而显著降低通态压降，但因为空穴位置离发射极很近，一旦关断，又很快被抽 走，所以对关断速度几乎没有什么影响，比传统的 IGBT 损耗更低，更好地实 现 了通态压降和关断损耗的折衷。该技术在不同的公司有不同的命名。Hitachi 称 之为 HiGT， ABB 称之为 EP， Mitsubishi 称之为 CSTBT[3]， Toshiba 称之为 IEGT。 以 CSTBT 结构为例，如图 3 所示。 集电极低空穴注入