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晶體管(MOSFET)和雙極晶體管(Bipolar)基礎上發(fā)展起來的一種新型復合功率器件，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，為應用裝置的高頻化、小型化、高性能和高可靠性奠定了基礎[1]。
自IGBT商業(yè)化應用以來，作為新型功率半導體器件的主型器件，IGBT在1—100kHz的頻率應用范圍內(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半導體，充分利用歐洲豐富的技術(shù)資源，成立功率半導體海外研發(fā)中心，迅速掌握了先進的1200V-6500V IGBT芯片設計、工藝制造及模塊封裝技術(shù)，并且在株洲建設了一條先進的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)應用，提高了應用功率等級。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，必須采用局部壽命控制技術(shù)來控制背部空穴注入效率，但是卻因此面導致了導通壓降的負溫度系數(shù)，不利于并聯(lián)應用。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調(diào)制效應，可以大大地減小器件的導通損耗。在工藝實現(xiàn)上，可以采用自對準工藝，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，將芯片直接設置在引線框架(lead frame)上[33]，或者將襯板直接設置在散熱基板上，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)應用，同時在應用環(huán)境苛刻和可靠性要求高的應用領(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，已成功應用在MOSFET上。將該技術(shù)應用在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)品化應用。
此外，新材料如寬禁帶半導體材料技術(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。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)還是以標準的焊接式封裝為主，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。
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