- 頭條株洲中車科研團隊新成果，揭示全球首個高壓IGBT芯片的技術攻略2021-10-15 作者：劉國友 黃建偉 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語提高絕緣柵雙極晶體管（IGBT）單芯片電流容量，對減小封裝器件芯片并聯數、簡化封裝結構、改善芯片均流至關重要。基于高壓、大電流、高可靠性IGBT應用需求，新型功率半導體器件國家重點實驗室、株洲中車時代電氣股份有限公司、株洲中車時代半導體有限公司的研究人員劉國友、黃建偉、覃榮震、朱春林，在2021年第4期《電工技術學報》上撰文，通過高壓IGBT芯片堅強元胞設計及其協同控制技術實現了元胞之間的開關同步，通過光刻拼版技術解決了大尺寸芯片的工藝制造，通過單芯片壓接封裝驗證了大尺寸芯片設計及其性能，探索出一條大尺寸IGBT芯片設計、制造與驗證的技術路徑。同時，他們開發了全球第一片42mm×42mm大尺寸高壓IGBT芯片，攻克了高壓IGBT芯片內部大規模元胞集成及其均流控制的技術難題，首次實現了4500V/600A單芯片功率容量，具備優良的動靜態特性和更寬的安全工作區，并可以顯著提高IGBT封裝功率密度與可靠性。
絕緣柵雙極晶體管（IGBT）作為能量處理與控制的“CPU”，耐受電壓高、電流容量大、驅動功率小、開關速度快、使用方便靈活，已成為電力電子裝置的主流開關器件。隨著高鐵、軌道交通、新能源與電力系統應用技術的發展，對IGBT的功率容量與可靠性提出了越來越高的要求。
IGBT芯片融合了傳統電力電子器件技術與微電子制造工藝，線寬越來越精細，已經進入亞微米工藝技術時代。由于常規芯片設計與制造工藝的限制，單芯片電流容量受到一定限制，已見報道的4500V IGBT單芯片最大電流容量約150A。如果應用系統需要更大的電流，一般通過多芯片并聯封裝來實現。IGBT封裝過程中，無論是傳統焊接型IGBT模塊，還是壓接型封裝，各并聯支路不可避免地存在雜散電感和電阻，這會影響并聯芯片之間的電流分布，繼而影響IGBT器件電流能力、功率密度與應用可靠性。
IGBT芯片包括有效區（元胞區）和邊緣終端區兩部分，高壓芯片的終端區域占芯片面積的很大一部分，如13.5mm×13.5mm尺寸的4500V芯片，其終端面積占整個芯片面積的40%以上。因此，單芯片尺寸越大則可以取代更多并聯的小芯片，省去很多不必要的（小芯片）終端區域，相比劃片區域來說將更加節約成本。在同等電流能力條件下，因為大芯片的終端區域面積比多個并聯的小芯片終端面積總和要小很多，所以大芯片的終端漏電流將得到顯著改善。
單芯片電流容量越大，則芯片并聯數相應減小，同時因為封裝結構的簡化，可以進一步改善芯片之間的均流狀況，從而提高IGBT器件效率與應用可靠性，因此單芯片電流容量已成為制約IGBT模塊功率容量、功率密度和應用可靠性的主要技術“瓶頸”。提高IGBT芯片的電流容量，需要并聯更多的IGBT元胞，意味著需要更大的有效區來集成這些并聯元胞。
芯片的大尺寸及其內部并聯元胞之間的開關同步與均流，對芯片本身的設計與制造帶來巨大挑戰，主要體現在芯片內部元胞本身的魯棒性、元胞間的開關同步和大尺寸芯片焊接應力控制等方面。如果處理不當，芯片內部元胞不均流和封裝過程中因熱膨脹系數失配而帶來的焊接應力都會對芯片造成損傷。
影響芯片大尺寸化的另一個因素是IGBT芯片制造能力，包括光刻機曝光面積、工藝穩定性與良率水平。
一般說來，芯片尺寸越大，芯片的良率越低，所以要實現大尺寸芯片的量產，芯片工藝線必須穩定且維持比較高的良率水平。另一方面，光刻機曝光面積與光刻精度成反比，在確保一定光刻精度的情況下，步進和掃描光刻機曝光面積都會受到限制，一般6in光刻機曝光面積為16mm×16mm，8in光刻機曝光面積為22mm×22mm，一般光刻機曝光面積最大不超過26mm×33mm。綜合考慮各種因素，常規IGBT芯片尺寸一般不會超過16mm×16mm，芯片電流、功率容量就會受到較大限制。
株洲中車的研究人員，通過把宏觀層面的IGBT芯片均流轉換成微觀層面元胞間的開關同步，來解決IGBT封裝過程中的芯片均流與可靠性問題，詳細分析了并聯元胞本身的魯棒性設計和更大尺寸、更大規模元胞集成時的開關同步機制，成功研制出42mm×42mm大尺寸4500V/600A超大功率IGBT芯片，該芯片展示出優越的綜合性能和強魯棒性，為IGBT器件并聯芯片之間的均流問題提供了全新的技術解決方案，也為大尺寸IGBT芯片描繪了廣闊的應用前景。
圖1 IGBT元胞柵電阻和低時延柵極互連結構
基于U形元胞及其載流子存儲層設計、多重緩沖層結合橫向變摻雜集電極設計，株洲中車的研究人員實現了正背兩面載流子注入的協同控制，高壓IGBT通態損耗、關斷能力與短路電流耐量得以同步優化，元胞魯棒性更強；通過元胞柵電阻及低阻硅化鈦互連網絡設計創新，實現了元胞之間的開關同步和電流均衡；依托先進8in IGBT芯片制造成套工藝、光刻拼版與多重曝光技術，完成了42mm×42mm芯片制造；通過壓接封裝技術，實現了IGBT芯片的雙面散熱、失效短路、低感互連和長期可靠工作。探索出一整套大尺寸IGBT芯片設計、制造與封裝技術。
圖2 42mm×42mm IGBT芯片
同時，通過對大尺寸4500V/600A IGBT芯片進行系統的不同溫度下的靜、動態和安全工作區極限能力測試驗證，大尺寸芯片元胞間的均流狀況得到了很好的調控，保證了單個大芯片提供大電流的能力，在通態損耗、關斷損耗與短路電流能力三者折中關系上明顯優于常規設計和國外同類產品。就單芯片性能對比來說，大尺寸4500V/600A IGBT芯片在RBSOA和SCSOA極限能力上也優于國外小尺寸4500V/40A壓接型IGBT芯片。
圖3 IGBT元胞柵電阻和低時延柵極互連結構
圖4 IGBT元胞柵電阻和低時延柵極互連結構
大尺寸IGBT芯片不僅適用于單芯片封裝，也適應多芯片焊接和壓接封裝，組成各種電路結構的IGBT器件。設計開發更大尺寸、更大功率容量的IGBT芯片，封裝結構將得到進一步簡化，功率密度和功率容量也有望得到進一步提高。
株洲中車研究團隊的科研成果展示了大尺寸芯片實現常規設計10倍以上、近50萬個高壓IGBT元胞的集成，較好地解決了大規模集成元胞之間的開關同步與均流問題，且具備進一步提高元胞集成度、芯片電流容量的能力。這表明大尺寸芯片設計與制造技術對于提高單芯片電流、簡化大容量器件封裝結構具有光明的發展前景。
以上研究成果發表在2021年第4期《電工技術學報》，論文標題為“高壓大電流（4500V/600A）IGBT芯片研制”，作者為劉國友、黃建偉、覃榮震、朱春林。
