2016-10-31 摘自誠聯(lián)愷達(dá)

      本文分別從IGBT芯片體結(jié)構(gòu)、背面集電極區(qū)結(jié)構(gòu)和正面MOS結(jié)構(gòu)出發(fā)，系統(tǒng)分析了大功率IGBT芯片的技術(shù)現(xiàn)狀與特點(diǎn)，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(shù)，并從新結(jié)構(gòu)、新工藝及新材料技術(shù)三方面分析了IGBT技術(shù)未來的發(fā)展方向。

     絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是在金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)和雙極晶體管(Bipolar)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型復(fù)合功率器件，具有MOS輸入、雙極輸出功能。IGBT集Bipolar器件通態(tài)壓降小、載流密度大、耐壓高和功率MOSFET驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)于一身。作為電力電子變換器的核心器件，為應(yīng)用裝置的高頻化、小型化、高性能和高可靠性奠定了基礎(chǔ)[1]。

      自IGBT商業(yè)化應(yīng)用以來，作為新型功率半導(dǎo)體器件的主型器件，IGBT在1—100kHz的頻率應(yīng)用范圍內(nèi)占據(jù)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(yīng)用于工業(yè)、4C(通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、汽車電子)、航空航天、國防軍工等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域以及軌道交通、新能源、智能電網(wǎng)、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。采用IGBT進(jìn)行功率變換，能夠提高用電效率和質(zhì)量，具有高效節(jié)能和綠色環(huán)保的特點(diǎn)，是解決能源短缺問題和降低碳排放的關(guān)鍵支撐技術(shù)，因此被稱為功率變流產(chǎn)品的“CPU”、“綠色經(jīng)濟(jì)之核”。在未來很長一段時(shí)間內(nèi)，為適應(yīng)全球降低CO2排放的戰(zhàn)略需要，IGBT必將扮演更為重要的角色，是節(jié)能技術(shù)和低碳經(jīng)濟(jì)的重要支點(diǎn)。

圖1 IGBT應(yīng)用領(lǐng)域

　　目前，世界各大功率半導(dǎo)體公司對(duì)IGBT的研發(fā)熱潮日益高漲，研究步伐和技術(shù)革新日益加快，IGBT芯片的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)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?yàn)榉N種原因，國內(nèi)在IGBT技術(shù)（北京誠聯(lián)愷達(dá)科技有限公司，真空共晶爐）研究開發(fā)方面雖然起步較早，但進(jìn)展緩慢，特別是在IGBT產(chǎn)業(yè)化方面尚處于起步階段，作為全球最大的IGBT應(yīng)用市場(chǎng)，IGBT模塊主要依賴進(jìn)口。近年來，在國家宏觀政策的引導(dǎo)和組織下，國內(nèi)企業(yè)通過各種途徑在IGBT芯片、模塊等領(lǐng)域已經(jīng)取得很多可喜的進(jìn)展，中國南車通過并購英國Dynex半導(dǎo)體，充分利用歐洲豐富的技術(shù)資源，成立功率半導(dǎo)體海外研發(fā)中心，迅速掌握了先進(jìn)的1200V-6500V IGBT芯片設(shè)計(jì)、工藝制造及模塊封裝技術(shù)，并且在株洲建設(shè)了一條先進(jìn)的8英寸IGBT芯片及其封裝生產(chǎn)線。（真空共晶爐），并將于2014年初實(shí)現(xiàn)IGBT芯片量產(chǎn)。（北京誠聯(lián)愷達(dá)科技有限公司專業(yè)生產(chǎn)IGBT模塊焊接設(shè)備，真空共晶爐）。

　　在模塊封裝技術(shù)方面，國內(nèi)基本掌握了傳統(tǒng)的焊接式封裝技術(shù)，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(shù)上的差距依然存在。國外公司基于傳統(tǒng)封裝技術(shù)相繼研發(fā)出多種先進(jìn)封裝技術(shù)，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(shí)現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用。

　　2 技術(shù)現(xiàn)狀

　　2.1 IGBT芯片技術(shù)

IGBT（真空共晶爐）芯片在結(jié)構(gòu)上是由數(shù)萬個(gè)元胞(重復(fù)單元)組成，工藝上采用大規(guī)模集成電路技術(shù)和功率器件技術(shù)制造而成[2]。每個(gè)元胞結(jié)構(gòu)如下圖2所示，可將其分成體結(jié)構(gòu)、正面MOS結(jié)構(gòu)及背面集電極區(qū)結(jié)構(gòu)三部分。

圖2 IGBT元件結(jié)構(gòu)

　　商用IGBT的體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)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(jié)構(gòu)之前，IGBT的體結(jié)構(gòu)是基于厚晶圓擴(kuò)散工藝的非穿通結(jié)構(gòu)，背部空穴的注入效率很高，由于器件內(nèi)部的寄生晶閘管結(jié)構(gòu)，IGBT在工作時(shí)容易發(fā)生閂鎖，因此很難實(shí)現(xiàn)商用。隨著外延技術(shù)的發(fā)展，引入了N型緩沖層形成穿通結(jié)構(gòu)，降低了背部空穴注入效率，并實(shí)現(xiàn)了批量應(yīng)用，但由于外延工藝的特點(diǎn)，限制了高壓IGBT的發(fā)展，其最高電壓等級(jí)為1700V。隨著區(qū)熔薄晶圓技術(shù)發(fā)展，基于N型襯底的非穿通結(jié)構(gòu)IGBT推動(dòng)了電壓等級(jí)不斷提高，并通過空穴注入效率控制技術(shù)使IGBT（真空回流焊）具有正溫度系數(shù)，能夠較好地實(shí)現(xiàn)并聯(lián)應(yīng)用，提高了應(yīng)用功率等級(jí)。隨著電壓等級(jí)不斷提高，芯片襯底厚度也迅速增加，并最終導(dǎo)致通態(tài)壓降增大，為了優(yōu)化通態(tài)壓降與耐壓的關(guān)系，局部穿通結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，ABB稱之為軟穿通(Soft Punch Through，SPT)[4]，英飛凌稱之為電場(chǎng)截止(Field Stop，F(xiàn)S)[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(jié)構(gòu)可比非穿通結(jié)構(gòu)的芯片厚度降低30%，同時(shí)還保持了非穿通結(jié)構(gòu)的正溫度系數(shù)的特點(diǎn)。近年來出現(xiàn)的各種增強(qiáng)型技術(shù)及超薄片技術(shù)都是基于軟穿通的體結(jié)構(gòu)的，目前600V電壓等級(jí)軟穿通IGBT芯片的厚度可以達(dá)到70um。（北京誠聯(lián)愷達(dá)科技有限公司專業(yè)生產(chǎn)IGBT模塊焊接設(shè)備，真空共晶爐）

圖3 75A/1200V  IGBT芯片發(fā)展（125℃）

　　IGBT的集電極區(qū)結(jié)構(gòu)影響著PNP晶體管的增益，對(duì)正向壓降與關(guān)斷損耗都有重要的影響[8]。早期的穿通型IGBT其集電極區(qū)結(jié)深較大，空穴注入效率很大，容易發(fā)生閂鎖效應(yīng)，必須采用局部壽命控制技術(shù)來控制背部空穴注入效率，但是卻因此面導(dǎo)致了導(dǎo)通壓降的負(fù)溫度系數(shù)，不利于并聯(lián)應(yīng)用。后來出現(xiàn)的非穿通型IGBT，采用了透明集電極結(jié)構(gòu)[9]，

控制了空穴注入，免除了局部壽命控制，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)通壓降的正溫度系數(shù)，這一結(jié)構(gòu)技術(shù)一直沿用至今，并通過優(yōu)化改進(jìn)以提高關(guān)斷速度及短路安全工作區(qū)特性[10-11] 。針對(duì)目前1200V電壓等級(jí)以下的芯片由于片薄而存在的加工工藝?yán)щy的問題，又提出了一種“內(nèi)透明集電極”結(jié)構(gòu)，采用氦離子注入與外延相結(jié)合的方法，避免了超薄片加工技術(shù)來形成透明集電極[12-13]。集電極區(qū)結(jié)構(gòu)還對(duì)安全工作區(qū)特別是短路安全工作區(qū)特性有重要影響[14-15]，針對(duì)短路安全工作區(qū)特性有特殊要求的應(yīng)用，通過集電極區(qū)摻雜濃度和緩沖層注入效率的控制與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)與關(guān)斷損耗的折中。

IGBT（真空共晶爐）的正面MOS結(jié)構(gòu)包括柵極與發(fā)射極區(qū)。柵極結(jié)構(gòu)有平面柵(圖4(a))與溝槽柵(圖4(b))兩種。平面柵結(jié)構(gòu)具有較好的柵氧化層質(zhì)量，其柵電容較小，并且不會(huì)在柵極下方處造成電場(chǎng)集中而影響耐壓，在高壓IGBT(3300V及以上電壓等級(jí))中被普遍采用。平面柵結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)，可以進(jìn)一步降低柵電容同時(shí)改進(jìn)其他的工作特性，如降低柵存儲(chǔ)時(shí)間，降低開關(guān)損耗，還能減小短路安全工作區(qū)(SCSOA)測(cè)試中的柵電壓過沖[16]。而溝槽柵結(jié)構(gòu)將溝道從橫向變?yōu)榭v向，消除了導(dǎo)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(yīng)用于中低壓(1700V及以下電壓等級(jí))產(chǎn)品中，但是溝槽刻蝕后表面粗糙，會(huì)影響載流子遷移率及造成電場(chǎng)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(dǎo)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(duì)元胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖5所示。三菱公司則提出了一種“元胞合并式” IGBT結(jié)構(gòu)(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(cè)試過程中的柵電壓振蕩現(xiàn)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(duì)于焊接式封裝，這三種位置都可滿足要求，對(duì)于壓接式封裝，一般選擇將柵電極設(shè)置在邊角處。

圖4 IGBT柵極結(jié)構(gòu)

圖5 溝槽柵IGBT結(jié)構(gòu)1            圖6  溝槽柵IGBT結(jié)構(gòu)2

 　　目前先進(jìn)的增強(qiáng)型技術(shù)就是通過優(yōu)化正面MOS結(jié)構(gòu)，提高靠近發(fā)射極區(qū)一端的電子注入效率，從而優(yōu)化導(dǎo)通壓降與關(guān)斷損耗的折中關(guān)系(圖7)。普遍采用的是載流子存儲(chǔ)層(Carrier Stored Layer，CSL)/空穴阻擋層結(jié)構(gòu)(Hole Barrier Layer，HBL)，如圖8所示[20-21]。從圖中可以看出，該結(jié)構(gòu)通過在P-阱外圍設(shè)置一個(gè)N型摻雜區(qū)，將P-阱包圍起來。該摻雜區(qū)縮短了溝道長度，并增加了空穴載流子流向IGBT發(fā)射極的勢(shì)壘，這樣就在P-阱外圍形成了一個(gè)空穴的積累層，并增加了在導(dǎo)通狀態(tài)下電子從MOS溝道的注入效率，從而增強(qiáng)了該處的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，可以大大地減小器件的導(dǎo)通損耗。在工藝實(shí)現(xiàn)上，可以采用自對(duì)準(zhǔn)工藝，不增加光刻次數(shù)。但是，研究發(fā)現(xiàn)，P-阱下方的N摻雜區(qū)對(duì)芯片的耐壓性能不利[22]。為了獲得更好的導(dǎo)通壓降與阻斷電壓的折中，研究開發(fā)了P阱旁N型摻雜技術(shù)，即在P-阱兩邊形成一對(duì)對(duì)稱的N摻雜區(qū)域，如圖9所示[23]。與載流子存儲(chǔ)層/空穴阻擋層結(jié)構(gòu)技術(shù)相比，差別在于摻雜區(qū)沒有包圍P-阱的底部及其拐角處，因此，在有效降低芯片導(dǎo)通壓降的同時(shí)還最大程度地維持了芯片的耐壓能力。其他一些增強(qiáng)型措施包括通過優(yōu)化溝槽元胞結(jié)構(gòu)[ 24-25]或者利用特殊溝槽結(jié)構(gòu)[26]來降低基區(qū)空穴被抽取的效率，達(dá)到電子注入增強(qiáng)的目的，在維持較低關(guān)斷損耗的同時(shí)降低導(dǎo)通損耗。

圖7 1200V IGBT的導(dǎo)通降壓與關(guān)斷損耗折的這折中關(guān)系

圖8 載流子存儲(chǔ)層                                              圖9 阱旁N型摻雜

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