劉國友 黃建偉 覃榮震 朱春林

高壓大電流（4 500V/600A）IGBT芯片研制

劉國友1,2黃建偉1,3覃榮震1,3朱春林1,3

（1. 新型功率半導(dǎo)體器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 株洲 412001 2. 株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司 株洲 412001 3. 株洲中車時(shí)代半導(dǎo)體有限公司 株洲 412001）

提高絕緣柵雙極晶體管（IGBT）單芯片電流容量，對(duì)減小封裝器件芯片并聯(lián)數(shù)、簡化封裝結(jié)構(gòu)、改善芯片均流至關(guān)重要。該文基于高壓、大電流、高可靠性IGBT應(yīng)用需求，通過高壓IGBT芯片堅(jiān)強(qiáng)元胞設(shè)計(jì)及其協(xié)同控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了元胞之間的開關(guān)同步，通過光刻拼版技術(shù)解決大尺寸芯片的工藝制造，通過單芯片壓接封裝驗(yàn)證了大尺寸芯片設(shè)計(jì)及其性能，探索出一條大尺寸IGBT芯片設(shè)計(jì)、制造與驗(yàn)證的技術(shù)路徑。研究開發(fā)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(nèi)部大規(guī)模元胞集成及其均流控制的技術(shù)難題，首次實(shí)現(xiàn)了4 500V/600A單芯片功率容量，具備優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)特性和更寬的安全工作區(qū)，并可以顯著提高IGBT封裝功率密度與可靠性。

大尺寸IGBT芯片 電流容量 均流 壓接

0 引言

絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）作為能量處理與控制的“CPU”，耐受電壓高、電流容量大、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快、使用方便靈活，已成為電力電子裝置的主流開關(guān)器件[1-2]。隨著高鐵、軌道交通、新能源與電力系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，對(duì)IGBT的功率容量與可靠性提出了越來越高的要求[3-4]。

IGBT芯片融合了傳統(tǒng)電力電子器件技術(shù)與微電子制造工藝，線寬越來越精細(xì)，已經(jīng)進(jìn)入亞微米工藝技術(shù)時(shí)代[1]。由于常規(guī)芯片設(shè)計(jì)與制造工藝的限制，單芯片電流容量受到一定限制，已見報(bào)道的4 500V IGBT單芯片最大電流容量約150A[5-6]。如果應(yīng)用系統(tǒng)需要更大的電流，一般通過多芯片并聯(lián)封裝來實(shí)現(xiàn)。IGBT封裝過程中，無論是傳統(tǒng)焊接型IGBT模塊，還是壓接型封裝，各并聯(lián)支路不可避免地存在雜散電感和電阻，這會(huì)影響并聯(lián)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(yīng)用可靠性。

IGBT芯片包括有效區(qū)（元胞區(qū)）和邊緣終端區(qū)兩部分，高壓芯片的終端區(qū)域占芯片面積的相當(dāng)大一部分，如13.5mm×13.5mm尺寸的4 500V芯片，終端面積占總個(gè)芯片面積40%以上。因此單芯片尺寸越大，就可以取代更多并聯(lián)的小芯片，省去很多不必要的（小芯片）終端區(qū)域，相比劃片區(qū)域，節(jié)約成本。同時(shí)在同等電流能力條件下，因?yàn)榇笮酒慕K端區(qū)域面積比多個(gè)并聯(lián)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會(huì)明顯得到改善。

單芯片電流容量越大，則芯片并聯(lián)數(shù)相應(yīng)減小，同時(shí)因?yàn)榉庋b結(jié)構(gòu)的簡化，可以進(jìn)一步改善芯片之間的均流狀況，從而提高IGBT器件效率與應(yīng)用可靠性[7-9]，因此單芯片電流容量成為制約IGBT模塊功率容量、功率密度和應(yīng)用可靠性的主要技術(shù)瓶頸。提高IGBT芯片的電流容量，需要并聯(lián)更多的IGBT元胞，意味著需要更大的有效區(qū)來集成這些并聯(lián)元胞。芯片的大尺寸及其內(nèi)部并聯(lián)元胞之間的開關(guān)同步與均流，對(duì)芯片本身的設(shè)計(jì)與制造帶來巨大挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在芯片內(nèi)部元胞本身的魯棒性、元胞間的開關(guān)同步和大尺寸芯片焊接應(yīng)力控制等長期困擾業(yè)界的技術(shù)難題上，如果處理不當(dāng)，芯片內(nèi)部元胞不均流和封裝過程中因熱膨脹系數(shù)失配而帶來的焊接應(yīng)力都會(huì)對(duì)芯片造成損傷。

影響芯片大尺寸化的另一個(gè)因素是IGBT芯片制造能力，包括光刻機(jī)曝光面積、工藝穩(wěn)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(shí)現(xiàn)大尺寸芯片的量產(chǎn)，芯片工藝線必須穩(wěn)定并且維持在比較高的良率水平。另一方面，光刻機(jī)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(jìn)和掃描光刻機(jī)曝光面積都會(huì)受到限制，一般6in光刻機(jī)曝光面積為16mm×16mm，8in光刻機(jī)曝光面積為22mm×22mm，一般光刻機(jī)曝光面積最大不超過26mm×33mm。綜合考慮各種因素，常規(guī)IGBT芯片尺寸一般不會(huì)超過16mm× 16mm，芯片電流、功率容量就會(huì)受到較大限制。

本文通過把宏觀層面的IGBT芯片均流轉(zhuǎn)換成微觀層面元胞間的開關(guān)同步來解決IGBT封裝過程中的芯片均流與可靠性問題，詳細(xì)分析了并聯(lián)元胞本身的魯棒性設(shè)計(jì)和更大尺寸、更大規(guī)模元胞集成時(shí)的開關(guān)同步機(jī)制，成功研制出42mm×42mm大尺寸4 500V/600A超大功率IGBT芯片，展示出優(yōu)越的綜合性能和強(qiáng)魯棒性，為IGBT器件并聯(lián)芯片之間的均流問題提供了一個(gè)全新的技術(shù)解決方案，也為大尺寸IGBT芯片描繪了一個(gè)廣闊的應(yīng)用前景。

1 大尺寸IGBT芯片設(shè)計(jì)

IGBT芯片由成千上萬個(gè)元胞組成，要實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)大尺寸設(shè)計(jì)，集成更多的并聯(lián)元胞，不僅要解決單元胞自身的魯棒性和多元胞之間的協(xié)同性，而且要通過優(yōu)化體結(jié)構(gòu)和終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低芯片損耗和終端漏電，提高芯片靜、動(dòng)態(tài)特性和可靠性。下面從四個(gè)方面展開分析。

1.1 堅(jiān)強(qiáng)元胞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

IGBT是MOS結(jié)構(gòu)控制的雙極結(jié)型晶體管，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。在正向阻斷時(shí)，如果在柵極（G）施加一個(gè)大于閾值電壓的正向電壓，則在柵極正下方P基區(qū)表面形成導(dǎo)電溝道，溝道電流作為PNP晶體管基極電流，PNP晶體管導(dǎo)通，此時(shí)集電極向漂移區(qū)注入空穴，并與通過溝道電流注入過來的電子在漂移區(qū)形成電導(dǎo)調(diào)制，顯著降低漂移區(qū)電阻。IGBT正向電流包括MOS溝道的電子電流和PNP晶體管集電極空穴電流兩部分。溝道電子電流直接由柵壓來控制，隨溝道的消失而消失；空穴電流則由通過柵壓形成的溝道電流間接控制，溝道消失后通過漂移區(qū)電子與空穴的復(fù)合來實(shí)現(xiàn)PNP晶體管的關(guān)斷。

IGBT導(dǎo)通時(shí)，如果集電極電壓比較高，則IGBT 的溝道會(huì)被夾斷，導(dǎo)致其溝道電流飽和，不再隨著集電極電壓的增大而增大，IGBT的飽和電流[10]為

圖1 IGBT結(jié)構(gòu)示意圖

其中

式中，為對(duì)應(yīng)溝道寬度；n為溝道電子漂移率；ox為單位面積柵電容；為溝道長度；G為柵極電壓；GEth為閾值電壓；pnp為PNP晶體管的共基極電流增益。

由此可見，IGBT飽和電流大小不僅與柵壓相關(guān)，而且與PNP晶體管電流增益pnp有關(guān)系，取決于背面空穴注入效率和基區(qū)載流子傳輸因子。為了控制IGBT的飽和電流，PNP晶體管增益pnp就不能調(diào)得過高。通過調(diào)節(jié)pnp，可以有效控制雙極晶體管電流和MOS溝道電流的比例，從而充分利用MOS電流的正溫度系數(shù)特征，確保在大電流應(yīng)用下各元胞的均流能力。理論上講，較小的飽和電流能使IGBT在短路狀態(tài)下耗散功率更低，有益于提升IGBT的短路安全工作區(qū)，但飽和電流的控制同時(shí)也要兼顧通態(tài)損耗的大小。

IGBT由于芯片內(nèi)部寄生的PNPN晶閘管結(jié)構(gòu)，不可避免地存在閂鎖效應(yīng)，通過采用增強(qiáng)型平面柵（enhanced Double-diffused Metal Oxide Semicon- ductor, DMOS+）新型U形嵌入式發(fā)射極結(jié)構(gòu)[11]（見圖2）可大幅度降低P基區(qū)內(nèi)N+源極下方的橫向電阻b（見圖1），從而有效抑制閂鎖效應(yīng)。通過在P基區(qū)外包裹一層N阱層形成載流子存儲(chǔ)層如圖2所示，對(duì)發(fā)射極空穴的抽取形成勢壘，使大量的非平衡載流子在發(fā)射極附近堆積，以提升元胞區(qū)發(fā)射極側(cè)的載流子濃度，如圖3所示，通過增強(qiáng)IGBT體內(nèi)漂移區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，來降低芯片體內(nèi)導(dǎo)通電阻，在相同的電流下，IGBT芯片的導(dǎo)通壓降得以明顯降低。

圖2 DMOS+ U形元胞示意圖

圖3 注入增強(qiáng)型元胞載流子濃度

為了實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)，采用了雙阱高溫推進(jìn)、基-射自對(duì)準(zhǔn)和抗應(yīng)力側(cè)墻等工藝技術(shù)，將發(fā)射極從表面延伸到U形元胞P阱內(nèi)部，降低了電阻b、空穴電流在b上形成的壓降和寄生NPN晶體管增益npn，顯著提高了寄生晶閘管的觸發(fā)閾值，抑制了高壓IGBT在高電流密度下動(dòng)、靜態(tài)閂鎖效應(yīng)的發(fā)生，從而提高了反偏安全工作區(qū)（Reverse Blocking Safe Operation Area, RBSOA）性能。

1.2 芯片縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

芯片縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在選擇合適的襯底摻雜濃度的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考慮與之對(duì)應(yīng)的緩沖層和集電極設(shè)計(jì)。緩沖層的引入能夠大幅度降低IGBT芯片厚度，在有效降低通態(tài)損耗的同時(shí)又降低開關(guān)損耗。緩沖層的設(shè)計(jì)在保證足夠的耐壓基礎(chǔ)上，要兼顧IGBT的關(guān)斷能力與短路電流耐量的協(xié)調(diào)。關(guān)斷過程要處理好基區(qū)載流子的快速抽取以及載流子抽取過程中避免觸發(fā)寄生PNPN晶閘管導(dǎo)通而使IGBT閂鎖?？昭ㄗ⑷胄视杉姌O區(qū)結(jié)構(gòu)及緩沖層結(jié)構(gòu)共同決定。

前面已經(jīng)討論過降低背面集電極注入效率和PNP晶體管增益pnp可以提高IGBT的關(guān)斷能力，從而擴(kuò)大IGBT的RBSOA。但從IGBT體內(nèi)電場演變來看，短路時(shí)載流子在電場的作用下會(huì)形成電流集中，電場峰值從阻斷狀態(tài)下位于發(fā)射極區(qū)一側(cè)轉(zhuǎn)移到集電極區(qū)一側(cè)，此時(shí)提高背面空穴注入效率可以增加靠近集電極區(qū)域內(nèi)的總載流子濃度，拉低電場峰值，從而提高短路能力[12]。

大尺寸芯片采用多重緩沖層結(jié)構(gòu)，即在常規(guī)緩沖層和集電極區(qū)之間增加一個(gè)或多個(gè)薄緩沖層，如圖4所示，實(shí)現(xiàn)了空穴注入效率與電場調(diào)節(jié)的解耦，對(duì)導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗、短路能力及開關(guān)特性軟度可獨(dú)立調(diào)控，在確保IGBT關(guān)斷能力的同時(shí)，降低芯片的功耗與邊緣漏電流，提高短路安全工作區(qū)性能。

圖4 增強(qiáng)型受控緩沖層

集電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，在芯片元胞區(qū)所對(duì)應(yīng)的集電極區(qū)部分采用較高濃度摻雜，而與芯片終端區(qū)所對(duì)應(yīng)的集電極區(qū)部分則采用較低濃度摻雜，如圖5所示，有效控制背面集電極區(qū)空穴注入效率，減少器件關(guān)斷時(shí)的少子抽取時(shí)間，從而改善芯片關(guān)斷時(shí)的拖尾電流，大大提高芯片的開關(guān)速度。

圖5 橫向變摻雜集電極

通過上述集電極變摻雜與多重緩沖層相結(jié)合的IGBT芯片縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合芯片正面U形元胞及載流子存儲(chǔ)層設(shè)計(jì)，優(yōu)化了體內(nèi)載流子分布，通過載流子存儲(chǔ)層抬高了正面空穴濃度，通過集電極局部空穴注入控制技術(shù)降低了背面空穴濃度，通過多重緩沖層的設(shè)計(jì)優(yōu)化了短路電流能力，從而協(xié)調(diào)了通態(tài)損耗、關(guān)斷損耗[13]與短路電流能力之間的矛盾，大大提高了元胞的魯棒性。

1.3 高可靠性終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高壓IGBT芯片終端結(jié)構(gòu)直接影響IGBT的耐壓能力和漏電性能。高溫下，由于終端界面態(tài)引起電荷集中，漏電急劇增加，導(dǎo)致IGBT耐壓能力與穩(wěn)定性下降。高可靠性終端結(jié)構(gòu)，一方面取決于邊緣終端設(shè)計(jì)，應(yīng)盡可能降低邊緣電場強(qiáng)度；另一方面，要優(yōu)化終端鈍化工藝，處理好終端界面電荷積累引起的漏電問題。

由于PN結(jié)彎曲或PN結(jié)終止處表面非理想因素的影響，反偏PN結(jié)擊穿電壓受限于表面附近或彎曲處局部電場，相對(duì)于體內(nèi)平面結(jié)可能會(huì)提前出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，因此必須設(shè)計(jì)高可靠性終端結(jié)構(gòu)，降低局部電場，提高表面擊穿電壓及電壓穩(wěn)定性，使高壓IGBT芯片終端擊穿電壓接近于體內(nèi)平面結(jié)的耐壓水平，確保IGBT芯片電壓穩(wěn)定性及抗過電壓能力。

高壓IGBT導(dǎo)通時(shí)，終端區(qū)內(nèi)存在大量的載流子；關(guān)斷時(shí)，這些載流子“涌向”終端區(qū)邊緣，造成電流局部聚集并發(fā)生動(dòng)態(tài)雪崩，終端區(qū)邊緣的電場集中會(huì)進(jìn)一步加劇雪崩發(fā)生和終端失效。4 500V大尺寸IGBT芯片采用兩級(jí)結(jié)終端擴(kuò)展（Junction Termination Extension, JTE）設(shè)計(jì)，如圖6a所示。

為了進(jìn)一步改善終端區(qū)的電場分布，在上述兩級(jí)結(jié)終端擴(kuò)展的基礎(chǔ)上，引入P+總線結(jié)構(gòu)，如圖6a所示。在導(dǎo)通時(shí)，P+總線對(duì)于發(fā)射極的電子注入相當(dāng)于一個(gè)勢壘，能夠降低IGBT導(dǎo)通時(shí)的電子注入效率，從而減少終端區(qū)內(nèi)的載流子濃度，降低關(guān)斷時(shí)終端區(qū)邊緣的局部電流密度；在關(guān)斷時(shí)，P+總線作為一個(gè)等電位環(huán)，為空穴提供快速抽取通道，進(jìn)一步減輕了載流子局部聚集；通過P+總線環(huán)繞邊緣元胞并將其引出至芯片正面并與發(fā)射極金屬電極相連的設(shè)計(jì)，改善了芯片有效區(qū)邊緣的歐姆接觸和電場，確保芯片邊緣電勢均勻分布，抑制了終端區(qū)邊緣的動(dòng)態(tài)雪崩，提升終端區(qū)的關(guān)斷電流能力。此外，通過P+總線覆蓋柵電極下方的設(shè)計(jì)，保護(hù)并防止柵極區(qū)下方區(qū)域在反向耐壓時(shí)的耗盡及反型，提高反向耐壓性能，并提高IGBT抗閂鎖能力。TCAD仿真結(jié)果顯示，終端結(jié)構(gòu)在常溫下的雪崩電壓近5 100V，如圖6b所示。

P+總線與P環(huán)工藝同時(shí)完成，不會(huì)增加額外的工藝成本。邊緣終端鈍化選擇半絕緣含氧多晶硅（Semi-Insulating Polycrystalline Silicon, SIPOS）作為終端保護(hù)薄膜，通過對(duì)淀積溫度、氧含量等工藝參數(shù)的精確控制，實(shí)現(xiàn)了SIPOS結(jié)構(gòu)中SiO2、無定形硅、多晶硅等多種微晶的均勻分布，提升了微晶間相互轉(zhuǎn)化的激活能，提高了SIPOS薄膜的穩(wěn)定性，降低了界面電荷。4 500V IGBT芯片[14]在125℃的高溫漏電低至0.7mA，在2 800V電壓下的關(guān)斷電流為額定電流的6.75倍，證明4 500V高壓IGBT芯片不僅有非常穩(wěn)定的邊緣終端，而且RBSOA能力也很強(qiáng)。

1.4 元胞動(dòng)態(tài)均流設(shè)計(jì)

IGBT芯片通過元胞并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)大電流容量，元胞間分布參數(shù)不均勻會(huì)導(dǎo)致開關(guān)同步問題，從而引起元胞之間不均流，影響其電流輸出能力。常規(guī)IGBT芯片[15]因多晶硅柵互連引入的RC網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致信號(hào)延遲，隨著元胞與芯片中心柵焊盤距離的增大，內(nèi)部多晶硅電阻與互連電容增加，并聯(lián)IGBT元胞的互連延遲更大，會(huì)引起元胞開關(guān)不同步，尤其是在開關(guān)瞬態(tài)和短路工況，寄生電阻與電容是IGBT元胞之間電流不均衡的主要影響因素。

大尺寸芯片集成了更多元胞，元胞在芯片中的位置不同，制造工藝的不均勻性會(huì)造成元胞之間的不均勻性，元胞開關(guān)同步將面臨更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。并聯(lián)元胞不均流主要是寄生電阻產(chǎn)生延遲導(dǎo)致的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)不同步和工藝不均勻引起的元胞之間的差異兩方面的因素造成的。為了壓縮常規(guī)并聯(lián)元胞之間柵極信號(hào)延遲、改善元胞開關(guān)同步和均流狀況，引入元胞柵電阻結(jié)構(gòu)[16]，IGBT元胞柵電阻和低時(shí)延?xùn)艠O互連結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 IGBT元胞柵電阻和低時(shí)延?xùn)艠O互連結(jié)構(gòu)

利用硅化鈦與多晶硅工藝來實(shí)現(xiàn)元胞柵電阻結(jié)構(gòu)，可以減小并聯(lián)元胞間的時(shí)間常數(shù)差異，改善開關(guān)一致性和元胞級(jí)均流。在降低芯片內(nèi)部寄生的分布電阻方面，在原來只在母排上進(jìn)行光刻與刻蝕以將多晶硅柵引出的基礎(chǔ)上，還在每個(gè)元胞的最外圍處設(shè)置光刻窗口，對(duì)多晶硅柵上的SiO2進(jìn)行刻蝕，然后進(jìn)行鈦化（TiSi）處理，再覆蓋一層氧化層，形成浮動(dòng)電極，結(jié)合低電阻硅化鈦工藝，實(shí)現(xiàn)元胞柵極互連，確保了驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步；引入多晶硅元胞柵電阻，實(shí)現(xiàn)開關(guān)時(shí)間的精確控制，確保元胞開關(guān)過程中的均流，提高芯片最大關(guān)斷電流及短路電流的耐受能力。

采用低阻硅化鈦網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)元胞之間柵極信號(hào)互連，通過降低互連寄生電阻、減小柵極信號(hào)在每一個(gè)并聯(lián)元胞驅(qū)動(dòng)信號(hào)延遲，從而確保每一個(gè)元胞開關(guān)信號(hào)同步；在每一個(gè)元胞柵極設(shè)計(jì)一個(gè)適當(dāng)大小的多晶硅電阻，改善元胞動(dòng)態(tài)均流、抑制電流電壓過沖及振蕩，元胞柵電阻對(duì)元胞均流的影響如圖8所示，從而提高整個(gè)IGBT芯片最大關(guān)斷電流及短路電流耐受能力[6]。

2 大尺寸IGBT芯片制造和封裝

2.1 大尺寸IGBT芯片工藝制造

基于8in高壓IGBT芯片生產(chǎn)線及其低溫緩沖層、基-射自對(duì)準(zhǔn)和抗應(yīng)力側(cè)墻、SIPOS鈍化為核心的IGBT成套工藝[17]，采用DMOS+U形元胞設(shè)計(jì)、雙面載流子協(xié)同控制技術(shù)，在21mm×21mm角柵IGBT芯片光刻掩膜基礎(chǔ)上，通過光刻拼版的方法[18]成功地完成了42mm×42mm中心柵極IGBT芯片的研制，光刻掩膜4×90°旋轉(zhuǎn)拼版效果如圖9所示。終端鈍化在常規(guī)SIPOS+聚酰亞銨（Polyimide, PI）的基礎(chǔ)上，增加紅膠保護(hù)，一方面進(jìn)一步增強(qiáng)終端鈍化效果和邊緣爬電距離；另一方面紅膠固化后可以作為封裝上鉬片的定位圈，如圖10所示。此芯片的額定電壓和電流分別達(dá)到4 500V和600A。

圖9 光刻掩膜4×90°旋轉(zhuǎn)拼版效果

圖10 42mm×42mm IGBT芯片

2.2 大尺寸IGBT芯片封裝

大尺寸IGBT芯片，采用壓接封裝技術(shù)，完成4 500V/600A IGBT產(chǎn)品的試制，4 500V/600A大容量IGBT器件如圖11所示。其封裝部件示意圖及剖面結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖11 4 500V/600A大容量IGBT器件

圖12 大尺寸IGBT單芯片壓接封裝結(jié)構(gòu)

為了充分發(fā)揮大尺寸IGBT芯片的性能，可以將42mm×42mm芯片與同尺寸鉬片焊接在一起，以增強(qiáng)芯片的機(jī)械強(qiáng)度。另外，鑒于傳統(tǒng)焊料在運(yùn)行過程中的疲勞會(huì)使焊層退化，增加焊層熱阻并使芯片結(jié)溫升高，從而影響芯片的使用壽命。低溫銀燒結(jié)技術(shù)[19]能夠較好地解決此問題，它利用鈉米或微米銀取代傳統(tǒng)焊料，在一定壓力和較低的溫度下實(shí)現(xiàn)IGBT芯片與陶瓷襯板或鉬片互連。與傳統(tǒng)焊料（SnAg3.5）相比，焊接溫度低、焊接強(qiáng)度高、焊層阻抗低[20]，SnAg3.5焊料與Ag燒結(jié)材料特性比較見表1。由于焊接溫度低，低溫銀燒結(jié)技術(shù)在大尺寸芯片互連方面具有更大優(yōu)勢，不僅可以大大提高焊層的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，而且可以降低異質(zhì)材料因熱膨脹系數(shù)失配帶來的芯片形變和應(yīng)力，均勻控制焊層的厚度，這對(duì)大尺寸芯片的封裝尤其是壓接封裝是至關(guān)重要的，可以明顯提升芯片的使用壽命。

表1 SnAg3.5焊料與Ag燒結(jié)材料特性比較

Tab.1 Comparison of properities between SnAg3.5 solder and silver sintering materials

3 大尺寸IGBT芯片測試結(jié)果和討論

利用壓接封裝好的大尺寸IGBT芯片（4 500V/ 600A），分別進(jìn)行了靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、安全工作區(qū)和極限能力測試，并和國外同類型產(chǎn)品進(jìn)行了性能上的對(duì)比。

3.1 靜態(tài)性能

大尺寸芯片在常溫和高溫下的靜態(tài)性能分別見表2、表3，Westcode相同容量壓接型器件產(chǎn)品T0600TB45A（4 500V/600A）[21]是由12個(gè)小IGBT芯片并聯(lián)封裝而成，其參數(shù)在此一并列出以便于比較。

表2 常溫（25℃）靜態(tài)測試

Tab.2 Static testing data under room temperature (25℃)

可以看出，和國外同類型產(chǎn)品相比，大尺寸IGBT芯片的飽和壓降（CEsat）在常溫和高溫下分別低0.29V（10%）和0.23V（6.2%）。柵極閾值電壓（GEth）相當(dāng)，但大尺寸芯片的柵極-發(fā)射極間漏電流（GES）比國外同類產(chǎn)品要低一個(gè)數(shù)量級(jí)。值得一提的是，大尺寸芯片的集電極-發(fā)射機(jī)間漏電流（CES）比國外產(chǎn)品也要低近一個(gè)數(shù)量級(jí)，主要原因在于，和由多個(gè)小芯片并聯(lián)達(dá)到同等電流等級(jí)相比，大芯片的終端面積相比小芯片的終端面積之和大幅度減少，邊緣終端漏電流的貢獻(xiàn)大大減少，從而有效抑制了CES。對(duì)大尺寸芯片分別進(jìn)行了常溫和125℃高溫測試，其雪崩擊穿電壓分別為5 075V和5 400V左右，在額定電壓（4 500V）下高溫漏電流低于0.5mA，說明大芯片邊緣終端設(shè)計(jì)和鈍化性能優(yōu)良，耐壓穩(wěn)定性好。

表3 高溫（125℃）靜態(tài)測試

Tab.3 Static testing data under high temperature (125℃)

3.2 動(dòng)態(tài)性能

表4對(duì)比了大尺寸IGBT芯片和國外同類型產(chǎn)品的高溫動(dòng)態(tài)性能?？梢钥闯觯蟪叽鏘GBT芯片的開通時(shí)間包括開通延遲時(shí)間（d(on)）和上升時(shí)間（r）都比國外同類型產(chǎn)品要低，而開通損耗（on）主要產(chǎn)生在這段時(shí)間，這也就解釋了為什么大尺寸芯片的on比國外產(chǎn)品要低0.83J（18%）。圖13展現(xiàn)了大尺寸IGBT芯片高溫下的開通波形動(dòng)態(tài)。關(guān)斷波形動(dòng)態(tài)如圖14所示。其中，Gon為開通電阻，Goff為關(guān)斷電阻，GE為柵電容?？紤]到大尺寸芯片的均流要求，芯片的軟開關(guān)特性有一定程度的增強(qiáng)，所以關(guān)斷波形中能看出有一定的拖尾電流，所以大尺寸芯片的關(guān)斷時(shí)間包括關(guān)斷延遲時(shí)間（d(off)）和下降時(shí)間（f）比同類型產(chǎn)品要長，但大尺寸芯片的關(guān)斷損耗卻相對(duì)低0.2J（7%），是因?yàn)樵陉P(guān)斷過程中的過沖電壓很低，如圖14所示。這也意味著大尺寸芯片有更寬的安全工作區(qū)，確保對(duì)應(yīng)過程中有足夠的電壓余量應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的未知電路異常。

表4 大尺寸IGBT高溫（125℃）動(dòng)態(tài)參數(shù)測試數(shù)據(jù)

Tab.4 Dynamic testing data of large size IGBT under high temperature (125℃)

圖13 125℃下典型開通波形

圖14 125℃下典型關(guān)斷波形

3.3 安全工作區(qū)極限能力測試

大尺寸IGBT芯片同時(shí)還進(jìn)行了RBSOA和短路安全工作區(qū)（Short Circuit Safe Operation Area, SCSOA）的極限能力測試。其測試電路原理分別如圖15和圖16所示。圖中，GG為柵電壓，g為柵電阻，F(xiàn)WD2為反并聯(lián)二極管，load為負(fù)載電感，s為寄生電感，bank為測試源電容，s為測試源電流。

圖15 RBSOA測試電路原理

圖16 SCSOA測試電路原理

圖17 大尺寸IGBT芯片125℃下關(guān)斷3.7倍額定電流

圖17顯示大尺寸IGBT芯片在125℃高溫，CE=3 400V條件下關(guān)斷3.7倍額定電流的波形。ABB半導(dǎo)體公司曾在文獻(xiàn)[22]里報(bào)道過40A/4 500V壓接型IGBT單芯片能夠在125℃高溫下CE=3 600V時(shí)關(guān)斷3倍額定電流，但在關(guān)斷過程中已發(fā)生動(dòng)態(tài)雪崩并觸發(fā)了開關(guān)自鉗位效應(yīng)（Switching Self Clamping Mode, SSCM），過沖峰值電壓達(dá)到近5 500V，所以關(guān)斷波形中出現(xiàn)了振蕩現(xiàn)象。而大尺寸芯片額定電流是ABB同類產(chǎn)品的15倍，在關(guān)斷3.7倍額定電流條件下過沖峰值電壓還不到4 000V。雖然ABB的CE要高200V，但大尺寸芯片的優(yōu)勢還是很明顯的。

基于圖16所示的測試電路，大尺寸IGBT芯片順利通過GE=23V、CE=3 400V極限條件下9.5倍額定電流（短路峰值電流SCpeak=5 731A）高溫短路能力測試，具備非常優(yōu)異的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性，波形如圖18所示。ABB小尺寸芯片（4 500V/40A）[22]通過常溫、GE=17.5V條件下10倍額定電流極限短路能力測試，但其關(guān)斷過沖電壓已經(jīng)超過4 500V且CE曲線出現(xiàn)振蕩。而大尺寸芯片（4 500V/600A）過沖時(shí)電壓才3 800V左右，且曲線圓滑，沒有振蕩，顯示出非常堅(jiān)強(qiáng)的魯棒性和動(dòng)態(tài)均流能力，抗動(dòng)態(tài)閂鎖能力也很強(qiáng)。

圖18 VGE=23V下短路測試波形（125℃）

4 結(jié)論

從應(yīng)用層面講，增大IGBT芯片面積，提高單芯片電流容量，可以簡化芯片封裝結(jié)構(gòu)，改善并聯(lián)芯片之間的均流狀況，進(jìn)一步提高IGBT及其封裝器件功率密度與應(yīng)用可靠性。

大尺寸IGBT芯片在應(yīng)用層面可以減少芯片并聯(lián)數(shù)，但在芯片內(nèi)部則需要大幅度提高并聯(lián)元胞集成度，面臨更加苛刻的大規(guī)模元胞開關(guān)同步與均流難題。作為大功率IGBT模塊功能單芯片化的一次嘗試，作者試圖通過微觀層面的技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)化IGBT宏觀應(yīng)用層面的多芯片并聯(lián)問題。

本文基于U形元胞及其載流子存儲(chǔ)層設(shè)計(jì)、多重緩沖層結(jié)合橫向變摻雜集電極設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了正背兩面載流子注入的協(xié)同控制，高壓IGBT通態(tài)損耗、關(guān)斷能力與短路電流耐量得以同步優(yōu)化，元胞魯棒性更強(qiáng)；通過元胞柵電阻及低阻硅化鈦互連網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了元胞之間的開關(guān)同步和電流均衡；依托先進(jìn)8in IGBT芯片制造成套工藝、光刻拼版與多重曝光技術(shù)，完成了42mm×42mm芯片制造；通過壓接封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)、制造與封裝技術(shù)。

通過對(duì)大尺寸4 500V/600A IGBT芯片進(jìn)行系統(tǒng)的不同溫度下的靜、動(dòng)態(tài)和安全工作區(qū)極限能力測試驗(yàn)證，并和國外同類產(chǎn)品進(jìn)行比較，顯示出大尺寸芯片元胞間的均流狀況得到了很好的調(diào)控，保證了單個(gè)大芯片提供大電流的能力，在通態(tài)損耗、關(guān)斷損耗與短路電流能力三者折中關(guān)系上明顯優(yōu)于常規(guī)設(shè)計(jì)和國外同類產(chǎn)品。就單芯片性能對(duì)比來說，大尺寸4 500V/600A IGBT芯片在RBSOA和SCSOA極限能力上也優(yōu)于國外小尺寸4 500V/40A壓接型IGBT芯片。

大尺寸IGBT芯片不僅適用于單芯片封裝，也適應(yīng)多芯片焊接和壓接封裝，組成各種電路結(jié)構(gòu)的IGBT器件；設(shè)計(jì)開發(fā)更大尺寸、更大功率容量的IGBT芯片，封裝結(jié)構(gòu)將得到進(jìn)一步簡化，功率密度和功率容量也有望得到進(jìn)一步提高。

本文展示了大尺寸芯片實(shí)現(xiàn)常規(guī)設(shè)計(jì)10倍以上、近50萬個(gè)高壓IGBT元胞的集成，較好地解決了大規(guī)模集成元胞之間的開關(guān)同步與均流問題，且具備進(jìn)一步提高元胞集成度、芯片電流容量的能力。顯示大尺寸芯片設(shè)計(jì)與制造技術(shù)對(duì)于提高單芯片電流、簡化大容量器件封裝結(jié)構(gòu)具有光明的發(fā)展前景。

[1] 丁榮軍, 劉國友. 軌道交通用高壓IGBT技術(shù)特點(diǎn)及其發(fā)展趨勢[J]. 機(jī)車電傳動(dòng), 2014(1): 1-6.

Ding Rongjun, Liu Guoyou. Technical features and development trend of high-voltage IGBT for rail transit traction application[J]. Electric Drive for Locomotives, 2014(1): 1-6.

[2] 劉國友, 黃建偉, 覃榮震, 等. 智能電網(wǎng)用高功率密度1500A/3300V絕緣柵雙極晶體管模塊[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2016, 36(10): 2784-2792.

Liu Guoyou, Huang Jianwei, Qin Rongzhen, et al. High power density 1500A/3300V insulated gate bipolar transistor module for smart grid application[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(10): 2784-2792.

[3] 劉國友, 羅海輝, 李群鋒, 等. 軌道交通用750A/ 6500V高功率密度IGBT模塊[J]. 機(jī)車電傳動(dòng), 2016(6): 21-26.

Liu Guoyou, Luo Haihui, Li Qunfeng, et al. 750A/ 6500V high power density IGBT module for rail transit application[J]. Electric Drive for Locomotives, 2016(6): 21-26.

[4] 汪波, 羅毅飛, 張爍, 等. IGBT極限功耗與熱失效機(jī)理分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(12): 135-141.

Wang Bo, Luo Yifei, Zhang Shuo, et al. Analysis of limiting power dissipation and thermal failure mechanism[J]. Transactions of China Electrotecnical Society, 2016, 31(12): 135-141.

[5] 劉國友, 竇澤春, 羅海輝, 等. 高功率密度3600A/ 4500V壓接型IGBT研制[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2018, 38(16): 4855-4862.

Liu Guoyou, Dou Zechun, Luo Haihui, et al. Development of high power density 3600A/4500V press-pack IGBT[J]. Proceedings of the CSEE, 2018, 38(16): 4855-4862.

[6] 劉國友, 竇澤春, 羅海輝, 等. 壓接型IGBT均流設(shè)計(jì)研究[J]. 中國電力, 2019, 52(9): 20-29.

Liu Guoyou, Dou Zechun, Luo Haihui, et al. Current- sharing design of press-pack IGBT[J]. Electric Power, 2019, 52(9): 20-29.

[7] 周靜, 康升揚(yáng), 李輝, 等. 內(nèi)部壓力不均對(duì)壓接式IGBT器件電熱特性的影響分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(16): 3408-3415.

Zhou Jing, Kang Shengyang, Li Hui, et al. Simulation of influence of unbalanced clamping force on electro- thermal characteristics of press-pack IGBT devices[J]. Transactions of China Electrotecnical Society, 2019, 34(16): 3408-3415.

[8] 唐新靈, 崔翔, 趙志斌, 等. 并聯(lián)IGBT芯片的等離子體抽取渡越時(shí)間振蕩機(jī)理及其特性分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(10): 254-264.

Tang Xinling, Cui Xiang, Zhao Zhibin, et al. Mecha- nism and characteristics of plasma extraction transit time oscillation of paralleled IGBT chips[J]. Transa- ctions of China Electrotecnical Society, 2018, 33(10): 254-264.

[9] 鄧二平, 趙志斌, 張朋, 等. 壓接型IGBT器件內(nèi)部壓力分布[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 32(6): 201-208.

Deng Erping, Zhao Zhibin, Zhang Peng, et al. Clam- ping force distribution within press pack IGBTs[J]. Transactions of China Electrotecnical Society, 2017, 32(6): 201-208.

[10] Baliga B J. Fundamentals of power semiconductor devices[M]. New York: Springer US, 2008.

[11] 劉國友, 羅海輝, 張鴻鑫, 等. 基于全銅工藝的750A/ 6500V高性能IGBT模塊[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(21): 4501-4510.

Liu Guoyou, Luo Haihui, Zhang Hongxin, et al. High performance 750A/6500V IGBT module based on full-copper process[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2020, 35(21): 4501-4510.

[12] Chokhawala R S, Catt J, Kiraly L. Discussion on IGBT short-circuit behavior and fault protection schemes[J]. IEEE Transactions on Industry Appli- cations, 1995, 31(2): 256-263.

[13] Wang Hengyu, Su Ming, Sheng Kuang. Theoretical performance limit of the IGBT[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2017, 64(10): 4184-4192.

[14] 張大華, 馬亮, 張中華, 等. 低導(dǎo)通損耗寬安全工作區(qū)4500V IGBT器件研制[J]. 大功率變流, 2017(5): 60-64.

Zhang Dahua, Ma Liang, Zhang Zhonghua, et al. Development of the 4500V IGBT device with low on- state loss and wide safe operation area[J]. High Power Converter Technology, 2017(5): 60-64.

[15] Long Hongyao, Sweet M R, Ngwendson Luther-King, et al. Current distribution analysis of insulated gate bipolar transistor cells[J]. Japanese Journal of Applied Physics, 2010, 49: 04DP14.

[16] 劉國友, 覃榮震, 黃建偉, 等. 一種功率半導(dǎo)體芯片柵電阻[P]. 中國, ZL201310259231.X.

[17] Liu Guoyou, Ding Rongjun, Luo Haihui. Deve- lopment of 8-inch key processes for insulated-gate bipolar[J]. Engineering, 2015, 1(3): 361-366.

[18] 程銀華, 劉國友, 王夢潔, 等. 一種功率半導(dǎo)體芯片, 該芯片的光刻版及其曝光方法[P]. 中國, ZL201710325616.X.

[19] Christian G. Low temperature sinter technology die attachment for power electronic applications[C]// Chartered Institute of Procurement & Supply, Nuremberg, 2010: 1-5.

[20] Krebs T, Duch S, Schmitt W, et al. A breakthrough in power electronics reliability- new die attach and wire bonding materials[C]//IEEE Electronic Components & Technology Conference, Las Vegas, 2013: 28-31.

[21] Westcode datasheet T0600TB45A[Z]. 2011: 1-7.

[22] Eicher S, Rahimo M, Tsyplakov E. 4.5kV press pack IGBT designed for ruggedness and reliability[C]// Conference Record of the 2004 IEEE Industry Applications Conference, 39th IAS Annual Meeting, Seattle, USA, 2004: 1534-1539.

Development of Large Size IGBT Chip with High Power Capacity of 4 500V/600A

1,21,31,31,3

（1. State key Laboratory of Advanced Power Semiconductor Devices Zhuzhou 412001 China 2. Zhuzhou CRRC Times Electric Co. Ltd Zhuzhou 412001 China 3. Zhuzhou CRRC Times Semiconductor Co. Ltd Zhuzhou 412001 China）

Increasing IGBT single-chip current capacity is essential for reducing the parallel number of packaged chips, simplifying the package architecture and improving the chip current sharing capability. According to the application requirements of high voltage, high current and high reliability for IGBT chips, this paper realized cell switching synchronization through robust cell design and its coordinated control, and solved the process manufacturing of large size chips through special photolithography technology. The single-chip press packaging was used to verify the design and performance of large size chips. A technical path for the design, manufacturing and verification of large size IGBT chips was explored. The world’s first 42mm×42mm large-size high-voltage IGBT chip with the power capacity of 4 500V/600A was developed. It has excellent dynamic and static characteristics, a wider safe operation area (SOA), and can significantly improve the packaging power density and reliability.

Large size IGBT chip, current capacity, current sharing, press pack

TN433

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191758

2019-12-13

2020-02-20

劉國友 男，1966年生，教授級(jí)高工，研究方向?yàn)楣β拾雽?dǎo)體及其應(yīng)用。E-mail: liugy@csrzic.com（通信作者）

黃建偉 男，1962年生，教授級(jí)高工，研究方向?yàn)樾滦凸β拾雽?dǎo)體器件。E-mail: huangjw@csrzic.com

（編輯 崔文靜）