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海南体彩app用不了:中車時代半導體IGBT技術—為民族產業發展注入強“芯”劑

發布時間:2018-04-26 瀏覽量:2424 來源: 字號:[ 广西快三app ]

广西快三app www.imzfcw.com.cn 從上世紀50年代研制出晶閘管開始,電能的變換和控制進入由功率半導體器件為主要載體的變流器時代。70年代功率半導體器件先后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,80年代在DMOS基礎上研制出IGBT,IGBT結合了MOSFET與雙極型晶體管的優點,具有電能變換方式靈活、功率容量大、工作頻率高等特點。

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

中車時代半導體是我國最早開發大功率半導體器件的單位之一。曾研發出世界上第一只6英寸UHVDC 8500V商用晶閘管,大批量應用于軌道交通、電網、高端工業裝備。近年來中車時代半導體一直致力于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,在株洲建成了8英寸IGBT專業生產線,開發了600V—6500V 高功率密度IGBT芯片,并批量應用于高鐵、電網、電動汽車、風電等領域。

圖1 中車IGBT技術發展歷程

中車時代半導體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。

圖2  IGBT器件的技術體系

如圖2所示,各技術構成了一個有機關聯系統。IGBT芯片技術的發展促進了封裝、測試與試驗技術的發展,從而促進應用技術的突破。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,牽引著IGBT技術的發展,從而形成良性互動,實現技術革新。

中車時代半導體依托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,形成了IGBT芯片技術——??榧際?mdash;—質量檢測技術——應用技術的完備技術體系,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。

中車時代半導體IGBT芯片技術

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

圖3  IGBT結構的主要組成部分

柵極結構

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

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

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,中車開發了基于溝槽柵結構的TMOS+技術,先在硅片表面刻蝕出U形槽,然后再形成柵極。通過縮小元胞尺寸,并消除JFET效應,進一步提升電流密度。

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

圖6 中車750V IGBT 175℃ 高溫阻斷(HTRB)測試

場截止緩沖層

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

圖7 場截止緩沖層結構

透明集電極

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

圖8 背面發射效率控制

反向恢復特性

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

圖9 中車1500A/3300V IGBT??楦哐剮〉緦髡竦刺匭?/p>

芯片工藝

IGBT工作時,數以萬計的元胞要同時進行開關轉換,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。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、淀積、濺射、刻蝕等常見半導體工藝,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。

圖10 中車8英寸IGBT專業生產線

圖11 中車8英寸IGBT晶圓

中車時代半導體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,嚴格按照汽車級產品開發的理念,基于通過IATF16949認證的質量體系,推出S系列汽車級IGBT???。S系列IGBT??槎疃ǖ繆刮?50V,未來會擴展到1200V系列,電流等級覆蓋400A到800A,基本覆蓋40kW到150kW的電機控制器應用需求?;赥MOS+和精細溝槽芯片技術,采用直接水冷散熱技術和高可靠性封裝材料,S系列IGBT??榫哂械退鷙?、高功率密度、高可靠性等特點。目前產品已完成器件級全套可靠性試驗,符合汽車級元器件標準AEC-Q101的要求。汽車級IGBT??橐部梢愿菘突У男棖蠼卸ㄖ蘋?,如雙面散熱???、一體化散熱??櫚?。

圖13定制化雙面散熱??榧凹勺榧?/p>

圖14   750V/800A??镾CSOA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,針對壓接應用進行了IGBT/FRD芯片結構的定制化設計及開發。芯片抗壓強度與功率密度有效提升。結合晶閘管陶瓷密封管殼技術,開發了子單元低溫銀燒結、高壓絕緣?;?、多芯片并聯均流控制、柔性壓力均衡控制等多項關鍵技術。壓接Flexpack系列IGBT電壓等級4500V,最高電流等級4500A,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。目前已完成應用級試驗評估,為大容量柔性直流輸電工程提供解決方案。

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??椴凡捎?40mm×190mm及140mm×130mm的標準封裝型式,電壓等級覆蓋1700V-6500V,最高電流等級達3600A,電路型式包含單開關、雙開關、斬波等,產品種類十余種?;贒MOS+芯片技術,實現了低損耗水平與寬安全工作區的良好折中。目前高壓焊接式IGBT??橐言詬上呋?、城市軌道交通、柔性直流輸電、功率補償等領域累計應用11萬多只。其中廣泛應用于軌道交通及柔直電網的一款3300V/1500A高壓焊接IGBT??椴方鱸諶嶂鋇繽撓τ檬懇汛锏?萬多只,其RBSOA及SCSOA測試波形見下圖。

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;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,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,系列化開發了1200V-1700V中低壓M/H系列IGBT,電流等級最高1400A,產品包括多種封裝尺寸及電路型式,滿足不同應用安裝需求。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,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。

中車時代半導體勇擔產業發展重任,挺起民族脊梁,以“核心技術靠化緣是要不來的”準確認識,堅持自主創新、自力更生,并帶動我國半導體產業鏈上、下游技術與產業的共同發展,眾志成城,齊心協力為解決我們泱泱大國“缺芯”局面不懈努力,為我國各領域產業發展注入強“芯”劑!

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