Estado técnico y características del chip IGBT de alta potencia.

Este artículo analiza, respectivamente, la estructura del chip IGBT, la estructura del área del colector en la estructura MOS posterior y frontal, el sistema analiza la situación actual de la tecnología y las características del chip IGBT de alta potencia, desde dos aspectos de la soldadura del chip y la interconexión integral de electrodos. Se introduce la tecnología de encapsulación de módulos IGBT, y los tres aspectos de la nueva estructura, la nueva tecnología y la nueva tecnología de materiales analizan la tecnología IGBT en la dirección de desarrollo del futuro.

El transistor bipolar de puerta aislada (transistor bipolar de puerta aislada, IGBT) se encuentra en el transistor de efecto de campo de óxido metálico (MOSFET) y el transistor bipolar (bipolar) desarrollado sobre la base de un nuevo tipo de dispositivo de potencia compuesto, con funciones de entrada MOS y bipolar. producción.

IGBT tiene las ventajas de baja caída de voltaje, alta densidad de corriente, resistencia de alto voltaje y potencia de accionamiento MOSFET de baja potencia, velocidad de conmutación rápida, alta impedancia de entrada y buena estabilidad térmica.

Como dispositivo central del convertidor electrónico de potencia, sienta las bases para la alta frecuencia, la miniaturización, el alto rendimiento y la alta confiabilidad del dispositivo de aplicación.

Desde la aplicación comercial de IGBT, como tipo principal de nuevos dispositivos semiconductores de potencia, IGBT ocupa una posición importante en el rango de aplicación de frecuencia de 1-100 kHz, con un rango de voltaje de 600 V - 6500 V y un rango de corriente de 1 A - 3600 A. (módulo de 140 mm x 190 mm).

IGBT se utiliza ampliamente en industrias, 4C (comunicaciones, computadoras, electrónica de consumo, electrónica automotriz), aeroespacial, defensa y otras industrias tradicionales, así como tránsito ferroviario, nuevas energías, redes inteligentes, vehículos de nuevas energías y otras industrias estratégicas emergentes.

La adopción de IGBT para la transformación de energía puede mejorar la eficiencia y la calidad del uso de la electricidad y tiene las características de alta eficiencia, ahorro de energía y protección del medio ambiente ecológico.Es la tecnología de apoyo clave para resolver el problema de la escasez de energía y reducir las emisiones de carbono.Por lo tanto, se denomina 'CPU' a los productos convertidores de potencia y 'núcleo de la economía verde'.

En un largo período de tiempo en el futuro, los IGBT desempeñarán un papel más importante en la satisfacción de las necesidades estratégicas de reducción global de las emisiones de CO2 y serán un punto de apoyo importante para la tecnología de ahorro de energía y la economía baja en carbono.

En la actualidad, las empresas mundiales de semiconductores de alta potencia experimentan un auge en la investigación y el desarrollo de IGBT, y la investigación y la innovación tecnológica se aceleran cada vez más. Los fabricantes de diseño y producción de chips IGBT son Infineon, ABB, Mitsubishi Electric, Dynex(China South Car,

CSR), IXYS Corporation, International Rectifier, Powerex, Philips, Motorola, Fuji Electric, Hitachi, Toshiba, etc., concentrados principalmente en Europa, América, Japón y otros países.

Por diversas razones, aunque la investigación y el desarrollo de la tecnología IGBT nacional comenzaron temprano, el progreso es lento, especialmente en la industrialización de los IGBT que aún se encuentra en la etapa inicial, ya que como el mercado de aplicaciones IGBT más grande del mundo, los módulos IGBT dependen principalmente de las importaciones.

En los últimos años, bajo la dirección y organización de la macropolítica nacional, las empresas nacionales a través de diversos canales en chips, módulos y otros campos IGBT han logrado avances muy gratificantes, la RSE de semiconductores británica Dynex a través de fusiones y adquisiciones, aprovecha al máximo los ricos europeos. recursos técnicos, estableció un centro de investigación y desarrollo de semiconductores de potencia en el extranjero, dominó rápidamente el diseño avanzado de chips IGBT de 1200 v a 6500 v, el proceso de fabricación y la tecnología de encapsulación de módulos, y en zhuzhou, construyó una línea de producción avanzada de encapsulación de chips IGBT de 8 pulgadas.

El chip IGBT se producirá en masa a principios de 2014.

El horno eutéctico al vacío IGBT, producido por ANTORCHA , impulsa las fábricas de IGBT y agrega ladrillos y mortero a los productos IGBT fabricados en China con tecnología y tecnología profesionales.

En términos de tecnología de empaque de módulos, China básicamente ha dominado la tecnología de empaque de soldadura tradicional, entre las cuales hay muchos fabricantes de empaques de módulos IGBT de voltaje medio y bajo, mientras que el empaque de módulos IGBT de alto voltaje se centra principalmente en CSR y CNR.

La brecha tecnológica permanece con las empresas extranjeras.

Basándose en la tecnología de embalaje tradicional, las empresas extranjeras han desarrollado una variedad de tecnologías de embalaje avanzadas, que pueden mejorar en gran medida la densidad de potencia, el rendimiento de disipación de calor y la confiabilidad a largo plazo del módulo, e inicialmente realizaron la aplicación comercial.

ANTORCHA La tecnología de envasado al vacío camarada IGBT ha estado en BYD y otras grandes empresas de IGBT a través de una verificación a largo plazo.

2 estado técnico

2.1 Tecnología de chip IGBT

El chip IGBT (horno eutéctico de vacío) está compuesto estructuralmente por decenas de miles de celdas (unidades repetitivas) y está fabricado con tecnología lsi y tecnología de dispositivos de energía [2].

La estructura de cada celda se muestra en la figura 2 a continuación, que se puede dividir en tres partes: estructura del cuerpo, estructura MOS frontal y estructura de la región del colector posterior.

El desarrollo de la tecnología de diseño de estructuras volumétricas para IGBT comerciales ha pasado por un proceso de Punch Through (PT) a Non Punch Through (NPT) y luego a Soft Punch Through (SPT), como se muestra en la figura 3 [3].

Antes de la estructura pasante, la estructura masiva del IGBT era una estructura no pasante basada en el proceso de difusión de obleas gruesas, y la eficiencia de inyección del orificio posterior era muy alta.Debido a la estructura de tiristores parásitos dentro del dispositivo, el IGBT era propenso a bloquearse cuando estaba en funcionamiento, por lo que era difícil realizar un uso comercial.

Con el desarrollo de la tecnología epitaxial, se introdujo la capa amortiguadora de tipo n para formar una estructura penetrante, lo que redujo la eficiencia de la inyección de los orificios en la parte posterior y realizó la aplicación por lotes.Sin embargo, debido a las características de la tecnología epitaxial, el desarrollo de IGBT de alto voltaje fue limitado y su nivel de voltaje más alto fue de 1700V.

Con el desarrollo de la tecnología de oblea delgada zonal, la estructura IGBT sin paso basada en sustratos tipo n promueve la mejora continua del nivel de voltaje, y el IGBT tiene un coeficiente de temperatura positivo a través de la tecnología de control de eficiencia de inyección de orificio, que puede realizar mejor el paralelo. aplicación y mejorar el nivel de potencia de la aplicación.

Con el aumento del nivel de voltaje, el espesor del sustrato del chip también aumenta rápidamente y eventualmente conduce a aumentos de la caída de presión del estado. Para optimizar el estado, la caída de presión y la presión, la relación entre la estructura local surge en el momento histórico, ABB se llama Soft A través (Soft Punch Through, SPT) [4], infineon se denomina campo eléctrico como (Field Stop, FS) [5], mitsubishi lo llama débil Through (Light Punch Through, LPT) [6].

IXYS lo llama Perforación extremadamente ligera (XPT), así como otros nombres como Perforación fina (TPT) y Perforación controlada (CPT)[7].

Bajo la misma resistencia a la presión, el espesor de la estructura pasante blanda es un 30% menor que el de la estructura no pasante, manteniendo al mismo tiempo el coeficiente de temperatura positivo de la estructura no pasante.

En los últimos años, varias tecnologías mejoradas y tecnologías de chips ultrafinos se basan en la estructura del cuerpo de soft-through-through.Actualmente, el espesor del chip IGBT de paso suave con grado de voltaje de 600 V puede alcanzar 70 um.

La estructura del colector del IGBT afecta la ganancia del transistor PNP y tiene una influencia importante en la caída de tensión directa y la pérdida de apagado.

Los primeros IGBT de tipo penetrante tenían una gran profundidad de unión en el área del colector y una gran eficiencia de inyección en el orificio, que era propenso al efecto de cierre.Por lo tanto, se debe adoptar tecnología de control de vida local para controlar la eficiencia de la inyección en el fondo del pozo, pero el coeficiente de temperatura negativo de la caída de presión de conducción resultó de la superficie, lo que no favoreció la aplicación paralela.

El último IGBT no penetrante, con una estructura colectora transparente,

Se controla la inyección del orificio, se elimina el control de vida local y se logra el coeficiente de temperatura positivo de la caída de presión de conducción.Esta técnica estructural se ha utilizado hasta el día de hoy y se ha optimizado para mejorar la velocidad de cierre y las características del área de trabajo segura contra cortocircuitos.

En vista de la dificultad de procesar chips con un voltaje inferior a 1200 V debido al grosor del chip, se propone una estructura de 'colector interior transparente', que UTILIZA el método de implantación de iones de helio y epitaxia para evitar el chip ultrafino. Tecnología de procesamiento para formar un colector transparente.

La estructura del colector también tiene una influencia importante en las características del área de trabajo segura, especialmente en el área de trabajo segura contra cortocircuitos.Para aplicaciones con requisitos especiales sobre las características del área de trabajo segura contra cortocircuitos, el compromiso entre las pérdidas y la concentración de dopaje del área del colector y la eficiencia de inyección de la capa amortiguadora se puede lograr controlando y optimizando la concentración de dopaje de el área del colector y la eficiencia de inyección de la capa amortiguadora.

La estructura MOS frontal del IGBT incluye regiones de puerta y emisor.

La estructura de rejilla tiene dos tipos: compuerta plana (FIG. 4(a)) y compuerta ranurada (FIG. 4(b)).

La estructura de compuerta plana tiene una buena calidad de la capa de óxido de la compuerta y su capacitancia de compuerta es pequeña, y no causará concentración de campo eléctrico en la parte inferior de la compuerta ni afectará el voltaje soportado.Por lo tanto, se usa ampliamente en IGBT de alto voltaje (clase de voltaje de 3300 V y superior).

Mediante la optimización y mejora de la estructura plana de la compuerta, se puede reducir aún más la capacitancia de la compuerta y se pueden mejorar otras características operativas, como reducir el tiempo de almacenamiento de la compuerta, reducir la pérdida de conmutación y reducir la sobretensión de voltaje de la compuerta en la prueba del área de trabajo segura en cortocircuito (SCSOA) [ dieciséis].

La estructura de compuerta con canales y ranuras de horizontal a vertical eliminará el efecto de la resistencia de conducción RJFET, también puede mejorar la densidad celular y así reducir el consumo de energía [17], por lo que se usan ampliamente en baja tensión (1700 v) y Producto de bajo voltaje, pero el grabado de la ranura después de una superficie rugosa puede causar concentración de campo eléctrico, movilidad del portador y afectar el voltaje de ruptura, y el área de la compuerta de polisilicio aumenta, lo que hace que la capacitancia de la compuerta aumente; además, debido a la densidad de corriente, se produce una disminución. de la capacidad de cortocircuito.

Para reducir la capacitancia de la puerta y reducir la corriente de cortocircuito, es necesario optimizar la estructura celular, como se muestra en la figura 5.

Mitsubishi propuso una estructura IGBT 'celular combinada' (celdas enchufadas/ficticias)[18-19](FIG. 6) para reducir la corriente de saturación, mejorar la capacidad de cortocircuito y suprimir la oscilación del voltaje de la puerta durante las pruebas de cortocircuito.

Para satisfacer diferentes necesidades de empaque, el electrodo de puerta IGBT se puede ubicar en el centro del chip, el centro del borde y la esquina; para el paquete de soldadura, estas tres posiciones pueden cumplir con los requisitos; para el paquete de compresión, generalmente elija para colocar el electrodo de puerta en la esquina.

Actualmente, la tecnología de mejora avanzada tiene como objetivo mejorar la eficiencia de la inyección de electrones en el extremo cerca de la región del emisor optimizando la estructura MOS en el lado frontal, para optimizar la relación de equilibrio entre la caída de presión de encendido y apagado y la pérdida de apagado (figura 7).

La estructura de Capa de almacenamiento portador (CSL)/Capa de barrera de orificios (HBL) se usa comúnmente, como se muestra en la figura 8.

Como puede verse en la figura, la estructura rodea el pozo p estableciendo una región dopada de tipo n en la periferia del pozo p.

La región dopada acorta la longitud del canal y aumenta los flujos de portadores de huecos de la barrera hacia el emisor IGBT, por lo que en la trampa P se forma una capa de acumulación de huecos y aumenta la condición de conducción de electrones debido a la eficiencia de la inyección del canal MOS. , mejora su efecto de modulación de conductividad y puede reducir significativamente la pérdida de conducción del dispositivo.

En la realización del proceso se puede utilizar el proceso autoalineado, sin aumentar el número de litografías.

Sin embargo, se descubre que la región n-dopada debajo de la trampa p no es buena para la resistencia de voltaje del chip.

Para lograr un mejor compromiso entre la caída de voltaje de encendido y apagado y el voltaje de bloqueo, se desarrolló la técnica de dopaje de tipo n junto al pozo p, es decir, se formaron un par de regiones simétricas dopadas con n en ambos lados del pozo p. -bueno, como se muestra en la figura 9 [23].

En comparación con la tecnología de estructura de capa de memoria portadora/estructura de barrera de orificios, la diferencia es que la región dopada no rodea la parte inferior y las esquinas de la trampa p, lo que reduce efectivamente la caída de voltaje en el chip mientras mantiene la resistencia de voltaje del chip al máximo. medida.

Otras medidas de mejora incluyen optimizar la estructura celular de la ranura o usar una estructura de ranura especial para reducir la eficiencia de la extracción de orificios en la región de la base, a fin de lograr el propósito de mejorar la inyección de electrones y reducir la pérdida de conducción mientras se mantiene un giro bajo. -pérdida.

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