摘要：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，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。
關(guān)鍵詞：絕緣柵雙極晶體管;芯片;模塊;結(jié)構(gòu);封裝技術(shù);
1 引言
絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是在金屬氧化物場效應(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)動功率小、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點于一身。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、計算機、消費電子、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，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)濟之核”。在未來很長一段時間內(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)濟的重要支點。
目前，世界各大功率半導(dǎo)體公司對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。因為種種原因，國內(nèi)在IGBT技術(shù)研究開發(fā)方面雖然起步較早，但進展緩慢，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，IGBT模塊主要依賴進口。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，迅速掌握了先進的1200V-6500V IGBT芯片設(shè)計、工藝制造及模塊封裝技術(shù)，并且在株洲建設(shè)了一條先進的8英寸IGBT芯片及其封裝生產(chǎn)線，并將于2014年初實現(xiàn)IGBT芯片量產(chǎn)。
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芯片在結(jié)構(gòu)上是由數(shù)萬個元胞(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。
商用IGBT的體結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(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在工作時容易發(fā)生閂鎖，因此很難實現(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，并實現(xiàn)了批量應(yīng)用，但由于外延工藝的特點，限制了高壓IGBT的發(fā)展，其最高電壓等級為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推動了電壓等級不斷提高，并通過空穴注入效率控制技術(shù)使IGBT具有正溫度系數(shù)，能夠較好地實現(xiàn)并聯(lián)應(yīng)用，提高了應(yīng)用功率等級。隨著電壓等級不斷提高，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)運而生，ABB稱之為軟穿通(Soft Punch Through，SPT)[4]，英飛凌稱之為電場截止(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%，同時還保持了非穿通結(jié)構(gòu)的正溫度系數(shù)的特點。近年來出現(xiàn)的各種增強型技術(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電壓等級軟穿通IGBT芯片的厚度可以達到70um。
IGBT的集電極區(qū)結(jié)構(gòu)影響著PNP晶體管的增益，對正向壓降與關(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)化改進以提高關(guān)斷速度及短路安全工作區(qū)特性[10-11] 。針對目前1200V電壓等級以下的芯片由于片薄而存在的加工工藝困難的問題，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，實現(xiàn)與關(guān)斷損耗的折中。
IGBT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，并且不會在柵極下方處造成電場集中而影響耐壓，在高壓IGBT(3300V及以上電壓等級)中被普遍采用。平面柵結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化改進，可以進一步降低柵電容同時改進其他的工作特性，如降低柵存儲時間，降低開關(guān)損耗，還能減小短路安全工作區(qū)(SCSOA)測試中的柵電壓過沖[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)產(chǎn)品中，但是溝槽刻蝕后表面粗糙，會影響載流子遷移率及造成電場集中，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，需要對元胞結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，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，對于焊接式封裝，這三種位置都可滿足要求，對于壓接式封裝，一般選擇將柵電極設(shè)置在邊角處。
目前先進的增強型技術(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)射極的勢壘，這樣就在P-阱外圍形成了一個空穴的積累層，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。在工藝實現(xiàn)上，可以采用自對準(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-阱兩邊形成一對對稱的N摻雜區(qū)域，如圖9所示[23]。與載流子存儲層/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)通壓降的同時還最大程度地維持了芯片的耐壓能力。其他一些增強型措施包括通過優(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，達到電子注入增強的目的，在維持較低關(guān)斷損耗的同時降低導(dǎo)通損耗。
2.2 IGBT模塊技術(shù)
IGBT模塊按封裝工藝可分為焊接式與壓接式兩類[27]。常見的焊接式IGBT封裝結(jié)構(gòu)如圖10所示，主要包括母排電極、鍵合引線、芯片、焊層、襯板和基板幾大部分，各個部分之間的連接技術(shù)則構(gòu)成了IGBT模塊封裝的關(guān)鍵技術(shù)，可分為芯片焊接與固定以及各芯片電極互連與引出兩大方面。為了提高模塊的可靠性，要求各部分材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)相匹配，散熱特性好及連接界面盡量少且連接牢固。
對于芯片焊接與固定，主要涉及功率半導(dǎo)體芯片(IGBT/FRD)、焊層、襯板和基板。焊層普遍采用錫基焊料，分含鉛與無鉛兩大類，有焊膏和焊片兩種工藝，后者具有更好的焊層質(zhì)量。隨著無焊料焊接(Solder Free)工藝的發(fā)展，對焊層采用銀燒結(jié)工藝[28]，或者采用瞬時液相鍵合或瞬時液相焊接技術(shù)(Transient Liquid Phase,TLP)[29]，在焊層中形成Cu與Sn的化合物，提高焊層的熔點，可以大大提高其長期可靠性。
襯板和基板要求其膨脹系數(shù)與芯片匹配并具有良好的熱導(dǎo)率，對硅材料芯片而言，AlN襯板及Cu或AlSiC基板是常見的選擇，為了獲得較小的熱阻，提高散熱性能，一般盡量減小襯板的厚度[30-31]，并使基板具有一定的拱度，可以是單面拱或者雙面拱，單面拱基板有利于減小熱阻，且在焊接前后拱度的變化較均勻[32]。為了進一步減小熱阻，可以省去襯板或基板，將芯片直接設(shè)置在引線框架(lead frame)上[33]，或者將襯板直接設(shè)置在散熱基板上，基板多為Pin Fin結(jié)構(gòu)，采用水冷散熱[34]。
對于芯片電極互連及引出，常采用粗鋁線或鋁帶進行引線鍵合，并利用銅金屬母排將電極引出到模塊外部。一個模塊內(nèi)部通常具有數(shù)百根引線，數(shù)千個鍵合點，這些鍵合點是可靠性的薄弱環(huán)節(jié)[35]。為了提高鍵合點可靠性，英飛凌開發(fā)了銅引線鍵合技術(shù)[36]，但這首先需要對芯片表面進行銅金屬化，而銅工藝與常規(guī)的鋁工藝不兼容。為了不改變現(xiàn)有的鋁金屬化工藝，人們又開發(fā)了一種鋁包銅線鍵合技術(shù)[37]，能夠在鋁金屬化面上進行銅引線鍵合。更先進的互連技術(shù)是免引線鍵合技術(shù)(wire bondless)，即將互連電路設(shè)置在柔性PCB板上，再將PCB與芯片正面各個電極進行銀燒結(jié)實現(xiàn)連接[38]。模塊的電極引出通過銅金屬母排來實現(xiàn)，最常見的是將銅金屬母排通過釬料焊接到襯板或基板上，在焊接過程中需要用到輔助夾具對母排進行定位和固定，而采用超聲焊接技術(shù)則可以簡化工藝，并提高焊接質(zhì)量[39]。與此同時，母排的結(jié)構(gòu)與位置排列也在不斷優(yōu)化，以降低模塊的寄生電感[40-41]。為了進一步縮小模塊尺寸，可將所有母排都預(yù)先嵌入到塑料外殼內(nèi)(injection-molded)[42-43]，這樣在模塊封裝過程中還可以省去母排焊接的工藝。
IGBT模塊的另外一種封裝形式是壓接式封裝，如圖11-12所示。壓接式IGBT具有無焊層、免引線鍵合、雙面散熱和失效短路的特點，從而具有更低的熱阻、更高的工作結(jié)溫、更低的寄生電感、更寬的安全工作區(qū)和更高的可靠性，主要在柔性直流輸電中串聯(lián)應(yīng)用，同時在應(yīng)用環(huán)境苛刻和可靠性要求高的應(yīng)用領(lǐng)域也很有競爭優(yōu)勢。其壓力接觸方式有兩種，一種是類似全壓接晶閘管式的直接壓力接觸，以Dynex(中國南車)及Westcode公司產(chǎn)品為代表[44-46]，對芯片厚度及壓力均勻性要求高;另外一種是采用彈簧接觸，可以較好地兼容芯片之間的厚度誤差，產(chǎn)品以ABB及Semikron公司產(chǎn)品為代表[47-48]。
3 IGBT發(fā)展趨勢
3.1 IGBT芯片技術(shù)發(fā)展
IGBT作為電力電子領(lǐng)域非常理想的開關(guān)器件，各種新結(jié)構(gòu)、新工藝及新材料技術(shù)還在不斷涌現(xiàn)，推動著IGBT芯片技術(shù)的發(fā)展，其功耗不斷降低，工作結(jié)溫不斷升高，從125℃提升到了175℃并向200℃邁進[49]，并可以在芯片上集成體二極管，形成逆導(dǎo)IGBT(RC-IGBT/BIGT)(圖13)，無需再反并聯(lián)續(xù)流二極管，在相同的封裝尺寸下，可將模塊電流提高30%[ 50-51]，還可以將電流及溫度傳感器集成到芯片內(nèi)部，實現(xiàn)芯片智能化，如圖14所示[52]。
圖13 RC-IGBT圖14 IGBT芯片內(nèi)部集成傳感器
通過對IGBT芯片的邊緣結(jié)構(gòu)進行隔離處理，可以形成具有雙向阻斷能力的IGBT(RB-IGBT)(圖15),在雙向開關(guān)應(yīng)用中無需再串聯(lián)二極管，并具有更小的漏電流及更低的損耗[53-54] 。
超結(jié)技術(shù)(super junction)打破了傳統(tǒng)硅器件的導(dǎo)通壓降與耐壓的極限關(guān)系(Ron∝VB2.5)，可大大降低器件功耗，已成功應(yīng)用在MOSFET上。將該技術(shù)應(yīng)用在IGBT上，則可以進一步降低功耗，目前已受到廣泛的關(guān)注[55-57]。超結(jié)IGBT的主要難點是工藝實現(xiàn)，為了降低工藝難度，各種“半超結(jié)”結(jié)構(gòu)被提出，實現(xiàn)性能與工藝的折中[58-59]。
與此同時，IGBT的工藝水平也在不斷提升，許多先進工藝技術(shù)，如離子注入、精細光刻等被應(yīng)用到IGBT制造上。IGBT芯片制造過程中的最小特征尺寸已由5um，到3um， 到1um，甚至達到亞微米的水平。采用精細制造工藝可以大幅提高功率密度，同時可以降低結(jié)深，減小高溫擴散工藝，從而使采用12英寸甚至更大尺寸的硅片來制造IGBT成為可能。隨著薄片與超薄片加工工藝的發(fā)展，英飛凌在8英寸硅片上制造了厚度只有40um的芯片樣品，不久的未來有望實現(xiàn)產(chǎn)品化應(yīng)用。
此外，新材料如寬禁帶半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展，可以實現(xiàn)更低功耗、更大功率容量、更高工作溫度的器件，其中SiC成為目前的大功率半導(dǎo)體的主要研究方向，并在單極器件上實現(xiàn)商品化，在IGBT等雙極器件的研究上也不斷取得進展[60-62]。目前IGBT主要受制造工藝及襯底材料的缺陷限制，例如溝道遷移率及可靠性、電流增益較小及高摻雜P型襯底生長等問題，未來隨著材料外延技術(shù)的發(fā)展，SiC IGBT將會實現(xiàn)突破。
3.2 IGBT模塊技術(shù)發(fā)展
隨著IGBT芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的最高工作結(jié)溫與功率密度不斷提高， IGBT模塊技術(shù)也要與之相適應(yīng)。未來IGBT模塊技術(shù)還將圍繞芯片背面焊接固定與正面電極互連兩方面不斷改進，有望將無焊接、無引線鍵合及無襯板/基板等先進封裝理念及技術(shù)結(jié)合起來，將芯片的上下表面均通過燒結(jié)或壓接來實現(xiàn)固定及電極互連，同時在模塊內(nèi)部集成更多其他功能元件，如溫度傳感器、電流傳感器及驅(qū)動電路等，不斷提高IGBT模塊的功率密度、集成度及智能度[63]。
4 小結(jié)
本文從IGBT體結(jié)構(gòu)、背面集電極區(qū)結(jié)構(gòu)與正面MOS結(jié)構(gòu)三方面分析了IGBT芯片的技術(shù)現(xiàn)狀，目前IGBT芯片普遍采用平面柵或者溝槽柵結(jié)構(gòu)，并運用軟穿通體結(jié)構(gòu)與透明集電極區(qū)結(jié)構(gòu)技術(shù)，以及各種增強型技術(shù)，以提高綜合性能和長期可靠性。高壓IGBT模塊技術(shù)還是以標(biāo)準(zhǔn)的焊接式封裝為主，中低壓IGBT模塊產(chǎn)品則出現(xiàn)了很多新技術(shù)，如燒結(jié)取代焊接，壓力接觸取代引線鍵合，無襯板/基板封裝等。未來IGBT將繼續(xù)朝著集成化、智能化、小型化的方向發(fā)展。
業(yè)務(wù)咨詢
1513253456