Status técnico e características do chip IGBT de alta potência

Este artigo, respectivamente, da estrutura do chip IGBT, da estrutura da área do coletor na estrutura MOS traseira e frontal, o sistema analisa a situação atual da tecnologia e as características do chip IGBT de alta potência, a partir de dois aspectos da soldagem do chip e da interconexão do eletrodo abrangente A tecnologia de encapsulamento do módulo IGBT é introduzida, e a nova estrutura, nova tecnologia e nova tecnologia de materiais três aspectos analisam a tecnologia IGBT na direção de desenvolvimento do futuro.

O transistor bipolar de porta isolada (transistor bipolar de porta isolada, o IGBT) está no transistor de efeito de campo de óxido metálico (MOSFET) e no transistor bipolar (bipolar) desenvolvido com base em um novo tipo de dispositivo de potência composto, com funções de entrada MOS e bipolar saída.

O IGBT tem as vantagens de baixa queda de tensão, alta densidade de corrente, resistência de alta tensão e potência de acionamento MOSFET de baixa potência, velocidade de comutação rápida, alta impedância de entrada e boa estabilidade térmica.

Como dispositivo central do conversor eletrônico de potência, ele estabelece uma base para alta frequência, miniaturização, alto desempenho e alta confiabilidade do dispositivo de aplicação.

Desde a aplicação comercial do IGBT, como principal tipo de novos dispositivos semicondutores de potência, o IGBT ocupa uma posição importante na faixa de aplicação de frequência de 1-100khz, com faixa de tensão de 600V - 6500V e faixa de corrente de 1A - 3600A. (módulo de 140 mm x 190 mm).

O IGBT é amplamente utilizado nas indústrias 4C (comunicações, computadores, eletrônicos de consumo, eletrônicos automotivos), aeroespacial, defesa e outras indústrias tradicionais, bem como trânsito ferroviário, novas energias, redes inteligentes, veículos de novas energias e outras indústrias estratégicas emergentes.

A adoção do IGBT para transformação de energia pode melhorar a eficiência e a qualidade do uso da eletricidade e possui características de alta eficiência, economia de energia e proteção ambiental verde.É a principal tecnologia de apoio para resolver o problema da escassez de energia e reduzir as emissões de carbono.Portanto, é chamado de “CPU” de produtos conversores de energia e “núcleo da economia verde”.

Num longo período de tempo no futuro, o IGBT desempenhará um papel mais importante na satisfação das necessidades estratégicas de redução global das emissões de CO2 e será um importante fulcro da tecnologia de poupança de energia e da economia de baixo carbono.

Atualmente, as empresas mundiais de semicondutores de alta potência para o boom de pesquisa e desenvolvimento IGBT, pesquisa e inovação tecnológica estão cada vez mais aceleradas, os fabricantes de design e produção de chips IGBT são Infineon, ABB, Mitsubishi Electric, Dynex (China South Car,

CSR), IXYS Corporation, International Rectifier, Powerex, Philips, Motorola, Fuji Electric, Hitachi, Toshiba, etc., concentradas principalmente na Europa, América, Japão e outros países.

Por uma variedade de razões, embora a pesquisa e o desenvolvimento da tecnologia IGBT nacional tenham começado cedo, mas o progresso é lento, especialmente na industrialização do IGBT ainda está na fase inicial, como o maior mercado de aplicação IGBT do mundo, o módulo IGBT depende principalmente de importações.

Nos últimos anos, sob a orientação e organização da macropolítica nacional, as empresas nacionais através de vários canais em chips IGBT, módulos e outros campos fizeram muitos progressos gratificantes, a RSE de semicondutores Dynex britânica através de fusões e aquisições, fez pleno uso dos ricos europeus recursos técnicos, estabeleceu semicondutores de potência de centro de pesquisa e desenvolvimento no exterior, dominou rapidamente o design avançado de chip IGBT de 1200 v a 6500 v, processo de fabricação e tecnologia de encapsulamento de módulo e, em zhuzhou, construiu uma linha de produção avançada de encapsulamento de chip IGBT de 8 polegadas.

O chip IGBT será produzido em massa no início de 2014.

O forno eutético a vácuo IGBT, produzido pela TOCHA , alimenta fábricas de IGBT e adiciona tijolos e argamassa aos produtos IGBT fabricados na China com tecnologia e tecnologia profissionais.

Em termos de tecnologia de embalagem de módulos, a China domina basicamente a tecnologia tradicional de embalagens de soldagem, entre as quais existem muitos fabricantes de embalagens de módulos IGBT de média e baixa tensão, enquanto a embalagem de módulos IGBT de alta tensão se concentra principalmente em CSR e CNR.

A lacuna tecnológica permanece com as empresas estrangeiras.

Com base na tecnologia de embalagem tradicional, as empresas estrangeiras desenvolveram uma variedade de tecnologia de embalagem avançada, que pode melhorar significativamente a densidade de potência, o desempenho de dissipação de calor e a confiabilidade a longo prazo do módulo, e inicialmente realizaram a aplicação comercial.

TOCHA camarada A tecnologia de embalagem a vácuo IGBT tem estado na BYD e em outras grandes empresas IGBT por meio de verificação de longo prazo.

2 estado técnico

2.1 Tecnologia de chips IGBT

O chip IGBT (forno eutético a vácuo) é estruturalmente composto por dezenas de milhares de células (unidades repetitivas) e é fabricado pela tecnologia lsi e tecnologia de dispositivos de energia [2].

A estrutura de cada célula é mostrada na figura 2 abaixo, que pode ser dividida em três partes: estrutura corporal, estrutura MOS frontal e estrutura da região traseira do coletor.

O desenvolvimento da tecnologia de projeto de estrutura de volume para IGBTs comerciais passou por um processo de Punch Through (PT) para Non Punch Through (NPT) e depois para Soft Punch Through (SPT), conforme mostrado na figura 3 [3].

Antes da estrutura passante, a estrutura a granel do IGBT era uma estrutura não passante baseada no processo de difusão de wafer espesso, e a eficiência de injeção do furo traseiro era muito alta.Devido à estrutura do tiristor parasita dentro do dispositivo, o IGBT tinha tendência a travar durante o funcionamento, por isso era difícil realizar o uso comercial.

Com o desenvolvimento da tecnologia epitaxial, a camada tampão tipo n foi introduzida para formar uma estrutura penetrante, o que reduziu a eficiência de injeção de furos nas costas e realizou a aplicação em lote.Porém, devido às características da tecnologia epitaxial, o desenvolvimento do IGBT de alta tensão foi limitado, e seu nível de tensão mais alto foi de 1700V.

Com o desenvolvimento da tecnologia de wafer fino zonal, a estrutura sem passagem IGBT baseada em substratos do tipo n promove a melhoria contínua do nível de tensão, e o IGBT tem um coeficiente de temperatura positivo através da tecnologia de controle de eficiência de injeção de furo, que pode realizar melhor o paralelo aplicação e melhorar o nível de potência da aplicação.

Com o aumento do nível de tensão, a espessura do substrato do chip também aumenta rapidamente e, eventualmente, leva a aumentos de queda de pressão do estado, a fim de otimizar o estado da queda de pressão e da pressão, a relação entre a estrutura local Através surge no momento histórico, a ABB é chamada Soft Através (Soft Punch Through, SPT) [4], infineon é chamado de campo elétrico como (Field Stop, FS) [5], mitsubishi chamado fraco Through (Light Punch Through, LPT) [6].

A IXYS o chama de Punch Through extremamente leve (XPT), bem como outros nomes como Thin Punch Through (TPT) e Controlled Punch Through (CPT)[7].

Sob a mesma resistência à pressão, a espessura da estrutura soft-through é 30% menor do que a da estrutura não-through, enquanto mantém o coeficiente de temperatura positivo da estrutura não-through.

Nos últimos anos, várias tecnologias aprimoradas e tecnologias de chips ultrafinos baseiam-se na estrutura do corpo do soft-through-through.Atualmente, a espessura do chip IGBT soft-through-through de grau de tensão de 600V pode chegar a 70um.

A estrutura do coletor do IGBT afeta o ganho do transistor PNP e tem importante influência na queda de tensão direta e na perda de desligamento.

O IGBT do tipo penetrante inicial tinha uma grande profundidade de junção na área do coletor e uma grande eficiência de injeção de furo, que era propensa ao efeito de travamento.Portanto, a tecnologia de controle de vida local deve ser adotada para controlar a eficiência da injeção no furo traseiro, mas o coeficiente de temperatura negativo da queda de pressão de condução resultou da superfície, o que não era propício à aplicação paralela.

O último IGBT não penetrante, com estrutura coletora transparente,

A injeção do furo é controlada, o controle de vida local é eliminado e o coeficiente de temperatura positivo da queda de pressão de condução é realizado.Esta técnica estrutural tem sido usada até hoje e foi otimizada para melhorar a velocidade de desligamento e as características seguras da área de trabalho contra curto-circuito.

Tendo em vista a dificuldade de processamento de chips com tensão inferior a 1200V devido à espessura do chip, é proposta uma estrutura de 'coletor transparente interno', que utiliza o método de implantação de íons de hélio e epitaxia para evitar o chip ultrafino tecnologia de processamento para formar um coletor transparente.

A estrutura do coletor também tem uma influência importante nas características da área de trabalho segura, especialmente na área de trabalho segura contra curto-circuito.Para aplicações com requisitos especiais nas características da área de trabalho segura contra curto-circuito, o compromisso entre a perda e a concentração de dopagem da área do coletor e a eficiência de injeção da camada tampão pode ser alcançado controlando e otimizando a concentração de dopagem de a área do coletor e a eficiência de injeção da camada tampão.

A estrutura MOS frontal do IGBT inclui regiões de porta e emissor.

A estrutura de grade possui dois tipos: porta plana (FIG. 4(a)) e porta ranhurada (FIG. 4(b)).

A estrutura da porta planar tem uma boa qualidade da camada de óxido da porta e sua capacitância da porta é pequena, e não causará concentração de campo elétrico na parte inferior da porta e afetará a tensão suportável.Portanto, é amplamente utilizado em IGBT de alta tensão (classe de tensão de 3300V e superior).

Através da otimização e melhoria da estrutura da porta planar, a capacitância da porta pode ser ainda mais reduzida e outras características operacionais podem ser melhoradas, como a redução do tempo de armazenamento da porta, a redução da perda de comutação e a redução da sobretensão de tensão da porta no teste de área de trabalho segura contra curto-circuito (SCSOA) [ 16].

Irá canalizar e estrutura de porta ranhurada de horizontal para vertical, eliminar o efeito da resistência de condução RJFET, também pode melhorar a densidade celular, reduzindo assim o consumo de energia [17], portanto são amplamente utilizados em baixa tensão (1700 v) e produto de grau de subtensão, mas a gravação da ranhura após a superfície áspera pode causar concentração de campo elétrico, mobilidade do portador e afetar a tensão de ruptura e aumento da área da porta de polissilício, fazer com que a capacitância da porta aumente, além disso, devido à densidade de corrente resulta na diminuição da capacidade de curto-circuito.

Para reduzir a capacitância da porta e diminuir a corrente de curto-circuito é necessário otimizar a estrutura celular, conforme mostra a figura 5.

A Mitsubishi propôs uma estrutura IGBT 'combinada celular' (células plugadas/fictícias) [18-19] (FIG. 6) para reduzir a corrente de saturação, melhorar a capacidade de curto-circuito e suprimir a oscilação da tensão da porta durante o teste de curto-circuito.

Para atender às diferentes necessidades de embalagem, o eletrodo de porta IGBT pode ser localizado no centro do chip, no centro da borda e no canto, para o pacote de soldagem, essas três posições podem atender aos requisitos, para o pacote de compressão, geralmente escolha para definir o eletrodo da porta no canto.

Atualmente, a tecnologia avançada de aprimoramento visa melhorar a eficiência da injeção de elétrons na extremidade próxima à região do emissor, otimizando a estrutura MOS na parte frontal, de modo a otimizar a relação de compensação entre a queda de pressão liga-desliga e a perda de desligamento (figura 7).

A estrutura Carrier storage Layer (CSL)/Hole Barrier Layer (HBL) é comumente usada, conforme mostrado na figura 8.

Como pode ser visto na figura, a estrutura envolve o poço p, estabelecendo uma região dopada do tipo n na periferia do poço p.

A região dopada encurta o comprimento do canal e aumenta os fluxos de portadores de buracos da barreira para o emissor IGBT, assim na armadilha P formou uma camada de acumulação de buracos, e aumentou na condição de elétrons de condução a partir da eficiência da injeção do canal MOS , aumenta seu efeito de modulação de condutividade, pode reduzir significativamente a perda de condução do dispositivo.

Na realização do processo pode ser utilizado o processo autoalinhado, sem aumentar o número de litografias.

No entanto, descobriu-se que a região dopada com n sob o p-trap não é boa para a resistência de tensão do chip.

Para conseguir um melhor compromisso entre a queda de tensão liga-desliga e a tensão de bloqueio, foi desenvolvida a técnica de dopagem tipo n ao lado do poço p, ou seja, um par de regiões simétricas dopadas com n foram formadas em ambos os lados do poço p. -bem, como mostra a figura 9 [23].

Em comparação com a tecnologia de estrutura de camada de memória portadora/barreira de furo, a diferença é que a região dopada não circunda a parte inferior e o canto do p-trap, reduzindo assim efetivamente a queda de tensão no chip, mantendo a resistência de tensão do chip ao maior extensão.

Outras medidas de aprimoramento incluem a otimização da estrutura celular da ranhura ou o uso de uma estrutura de ranhura especial para reduzir a eficiência da extração de furos na região base, de modo a atingir o objetivo de aprimoramento da injeção de elétrons e reduzir a perda de condução, mantendo uma rotação baixa. -off perda.

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