IGBT芯片及模块的发展

1、摘要：绝缘栅双极晶体管(IGBT)是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管合成的复合型全控型电压驱动式功率半导体器件，具有绝缘栅型场效应管的高输入阻抗及双极型三极管的低导通压降、以及驱动电路简单、安全工作区宽等优点，作为电力电子系统的核心开关器件， IGBT起了不可取代的关键的作用。本文主要针对IGBT的发展历程和国内外技术现状、阐述了一些先进的芯片技术和新结构、新材料及模块封装技术。描述了IGBT芯片和模块的发展方向。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

2、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。2.IGBT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、

3、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2.7万 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15.8万亿美元和减少了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3.1 IGBT的发展历史IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)即绝缘栅双极

4、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

5、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(F

6、ield-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

7、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

8、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。3.2 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

9、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4.1 发

10、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CSTBT3，Toshiba称之为IEGT。以CSTBT结构为例，如图3所示。4.2 集电极低空穴注入该技术主要就是通过控制集电极段的P+层的空穴发射效率来减小

11、拖尾电流和开关时间，减小关断时器件的di/dt和电压尖峰，减小EMI以进一步 优化器件特性。英飞凌使用的是FS技术，Fairchild推出的是Quick PT，ABB推出的是Controlled PT，简称CPT。CPT结构示意图如图4所示，通过两层N型层对空穴注入进行控制调制。N1 CPT缓冲层的主要作用是阻挡电场。N2 CPT缓冲层的主要作用是调节空穴注入效率。以1200V IGBT为例，采用CPT技术可使硅片厚度由128um减小到100um4。宏微科技提出了在绝缘栅双极晶体管硅片背面分别进行N型离子注入、P型离子注入、N型离子注入以及P型离子注入5，以构成P/ N/ P/N+多级发射区和

12、阻挡区相结合的结构，通过合理调整N型和P型离子注入剂量和注入能量，使P型第一发射区与背面金属保证良好的欧姆接触，N型第一阻挡 区能调节P型第一发射区的空穴注入效率，控制集电极注入空穴的浓度，P型第二发射区提供漂移区内的空穴注入，起到电导调制效应，通过二级发射区和一级阻挡 区的控制，实现对漂移区内的空穴分布精确控制的目的，通过N型第二阻挡区能进一步调节上述两级发射区的空穴注入效率，同时可阻挡来自于正面的电场，提高器 件的击穿电压，只需要在常规NPT-IGBT背面工艺流程的基础上利用多次离子注入工艺，使其背面形成P/ N/ P/N+多级发射区和阻挡区相结合的结构，工艺成本不会明显增加，很好地协调了

13、绝缘栅双极晶体管的通态压降和开关速度的关系。以1200V NPT IGBT为例，实验结果如图5所示，技术曲线比常规NPT-IGBT更接近原点，保持相同的关断时间，通态压降可以减小30%左右。4.3 超深结FS IGBT该技术的做法就是将IGBT和COOL MOS相结合，结构示意图如图6所示，在N型漂移区内做很多P型深结区，该区域根据载流子平衡原理，增加了N型漂移区的电子存储，减小了N型漂移区的电 阻，从而减小通态压降，而关断时，多余电子和空穴快速复合，再配合FS特性，又能保证关断损耗较小。合理选择P型深结区的浓度和宽度，可以保证电压足够使 用要求，且可将横向和纵向电场分布都调整得比较均匀，保证

14、器件的可靠性。4.4 逆导IGBTIGBT在使用过程中往往需要外接一个反并联的二极管作为续流，逆导IGBT就是将这个反并联二极管和IGBT集成在一个芯片上，适合于低成本 的软开关应用(谐振电路)。逆导IGBT的面积大于标准IGBT芯片面积，但小于分离的IGBT和二极管芯片面积之和。因此，用逆导IGBT可以节省芯片 的面积，从而节省粘片、打线、测试和封装成本，DBC面积也可以缩小，封装自由度更大。RC-IGBT的结构如图7所示，它是在一个IGBT内部加入一个 自由交换二极管，在背面形成平行的N区和P区，取代传统的N-缓冲区和P集电区结构，这样就使得在集电极-发射极电压反向偏置的时候IGBT同样能

15、传导电 流，从而就形成了IGBT的反向导通，即所谓的逆导IGBT。4.5 逆阻IGBT当前，在变频电源领域，正在大力发展矩阵式变换器，它要求功率开关器件具备反向阻断功能。逆阻IGBT(RB-IGBT)6，是在NPT- IGBT的基础上衍生出来的一种新型器件，它的内部取消了传统IGBT的反并联二极管，正、反向均可承受电压，即在阻断电压方面是正、反对称型的，这就意 味着这样的单片IGBT，芯片是把传统的IGBT同二极管串联组合而成的，从而实现了反向阻断功能。RB-IGBT的结构如图8(a)所示，左侧部分是一 个传统的IGBT，右侧是一个贯穿器件的p型掺杂区，相当于串联了一个二极管，提高了器件反向阻

16、断的能力。图8(b)所示的是在栅极电压VGE=15V的条件下，RB-IGBT的I-V特性。额定电流在25 100A时，导通正向压降VCE(sat)为2.65V至在125时3.01V ，与一个IGBT串联一个二极管相比较还是比较低的。因此，作为双向开关的RB-IGBT可以有效减少通态损耗。而通态压降VCE(sat)正导热系数有 利于芯片并联，应用于大功率领域。4.6 双向IGBT双向IGBT可实现双向导通和双向阻断，其正反向阻断电压可以做到同样水平，更适合矩阵式变换器中。可以节省两个二极管。其结构示意图如图9所 示。从双向IGBT的静态特性和动态特性，可以得出一个结论，即双向IGBT的电学特性在

17、两个方向上都具有良好的对称性。从图10中可以看出，当Ice =2A时，器件的顶部和底部正向电压分别为Vce=4.4V，Vce=4.2V。器件顶部和底部的正向电压不匹配，不匹配率大约为4.6%7。4.7 SiC IGBT为什么选择碳化硅材料，硅和碳化硅材料性质对比如表4所示，SiC材料的能带宽度宽的特点决定了SiC器件在高的工作温度和功率密度下，保持较 小的漏电流。高的临界场强能获得高的阻断电压和低的导通阻抗。电子饱和速率快则便于实现快速开关功率器件。而高的热导率则表现出卓越的散热能力，对于提高 器件结温有重要的作用。利用SiC为衬底材料，较硅材料衬底，通态压降可以显著降低，器件面积和系统尺寸都

18、能大大缩小，且保持良好的温度特性。SiC IGBT结构示意图如图11所示，IGBT是由一个纵向的NPN管和一个P沟道MOS并联而成的。英飞凌公司预计第7代IGBT将利用SiC材料，2018年实现量产，结温可以提高到200，功率密度提高到250kW/cm2左右。现在 SiC MOSFET已经可以逐渐替代Si IGBT了，SiC-IGBT 的诞生将会在大功率应用领域内取代现有的SCR和GTO。富士预计2014年可以完成SiC IGBT的研发，2018年实现量产。图12为英飞凌公司其产品针对功率和频率应用的全覆盖，虚线框内的SiC模块和GaN器件将作为未来发展的方向。5.IGBT模块封装新技术5.1

19、 纳米银烧结和SKIN技术近些年来，工业和学术界一直在研究如何在模块中避免使用键合线。现在大部分的模块封装一直也是使用焊料、压焊和嵌入式连接。SKIN技术是一项 技术的革新,通过使用银表面烧结连接的方式代替传统的焊料烧结、键合线。其中芯片是双面烧结，DBC全部焊接到散热底板上，如图13所示。所以器件有很高 的功率密度，很好的散热，与传统封装技术相比，电性能和可靠性都很高。银烧结技术建立在芯片和DBC板之间的焊接。由于其高的可靠性和热特性，它让功率模块可以适用于温度更高的应用环境，比如电动汽车和风力涡轮 机。但是如何取代芯片上的键合线，如何连接功率模块与散热底板的问题仍然没有得到解决。SKIN技

20、术利用银烧结技术解决了以上两个问题。SKIN技术在芯片和DBC的上下表面都做银烧结，并在芯片的上表面烧结一层flex layer，这个flex layer层下面是金属银，这种结构与键合线的直径相比较，显然可以用来导电的面积更大，可靠性更高。门极上方通过打通孔来实现走线，栅极走线和芯片表面 这两层金属层之间通过涂抹聚酰胺来实现绝缘。SIKN技术有如下的优点：1)用银金属层可以增大功率密度，减小芯片和焊料之间的热阻。芯片表面大面积的金属层可以让芯片更好的散热。2)用银的flex foil层代替铝键合线可以增加功率循环的次数，因为这两种材料的CTE更加匹配，芯片表面之间互联的面积更大。3)用银的fl

21、ex foil层代替铝键合线可以增加芯片之间互联线的接触面积，通过表面图形的设计减小模块的杂散电感，使其电性能得到提高。用Flex layer和铝线最大的区别就是与芯片表面的接触面积，铝线与芯片表面的接触面积仅占芯片表面积的21%，而用flex layer覆盖率却可以达到50%-85%。图14 显示了最初的测试结果。在功率循环测试中，普通模块可以承受60K次循环，达到了预期的要求。用SKIN技术的模块远远超过了预期的标准，功率循环的次数是普通标准的20倍，达到了700K以上,而且循环的温度是从70°C到150°C 8。5.2 双面散热技术作者早在2000年就提出了在功率半导

22、体管芯上下面同时采用DBC板烧结进行双面散热的技术。采用这种结构封装的模块工艺简单，可以通过上下两 个面采取冷却措施，更易于降低芯片工作的结温，可以提高散热效率30%以上，从而提高了PC循环次数。图15显示三种不同的封装形式。根据以上三种被测封装结构，分别对其进行测试，图16 给出了测试结果，在Tjc=30的情况下，b封装与c封装的电流处理能力分别比a封装提高65%与84%，另外，在1秒之后热阻达到稳态，a封装的热 阻为0.52 /W, b封装的热阻为0.41/W, c封装的热阻为0.35/W, b与c封装的热阻分别比a封装小21%和33%，最后，我们都了解，在高频开关的情况下，IGBT的开通

23、与关断的损耗尤为重要，电流会随着开关频率的升高 而下降，更低热阻的封装会提供更高的电流处理能力，在相同的频率下，b与c 封装的电流分别比a封装大25%与37%。双面散热技术使得封装更加小型和紧凑,降低热阻,提高功率处理能力,提高开关频率,而且由于省去了键合引线,所以使得IGBT模块的可靠性与开关特性也有所提高,此技术也可以用于低压的功率器件,以此降低其导通电阻,也可以用于一些两面都有接触的双向器件 7 。6.IGBT发展方向及工作重心IGBT技术发展目标是：大电流、高电压、低损耗、高频率、功能集成化和智能化、高可靠性。传动领域(例如电力牵引机车)和智能电网领域都需要大功率IGBT的应用，英飞凌、东芝、三菱、