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IGBT是什么?國內外差距有多大?
來源: | 作者:ittbank | 發布時間: 2071天前 | 2008 次瀏覽 | 分享到:
IGBT是什么?國內外差距有多大?

在電力電子里面,最重要的一個元件就是IGBT。沒有IGBT就不會有高鐵的便捷生活。

一說起IGBT,半導體制造的人都以為不就是一個分立器件(Power Disceret)嘛,都很瞧不上眼。然而他和28nm/16nm集成電路制造一樣,是國家“02專項”的重點扶持項目,這玩意是現在目前功率電子器件里技術最先進的產品,已經全面取代了傳統的Power MOSFET,其應用非常廣泛,小到家電、大到飛機、艦船、交通、電網等戰略性產業,被稱為電力電子行業里的“CPU”,長期以來,該產品(包括芯片)還是被壟斷在少數IDM手上(FairChild、Infineon、TOSHIBA),位居“十二五”期間國家16個重大技術突破專項中的第二位(簡稱 “02專項”)。

1、何為IGBT?

所謂IGBT(絕緣柵雙極型晶體管),是由 BJT(雙極結型晶體三極管) 和 MOS(絕緣柵型場效應管) 組成的復合全控型-電壓驅動式-功率半導體器件,其具有自關斷的特征。

簡單講,是一個非通即斷的開關,IGBT沒有放大電壓的功能,導通時可以看做導線,斷開時當做開路。IGBT融合了BJT和MOSFET的兩種器件的優點,如驅動功率小和飽和壓降低等。

而平時我們在實際中使用的IGBT模塊是由IGBT與FWD(續流二極管芯片)通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品,具有節能、安裝維修方便、散熱穩定等特點。

2、傳統的功率MOSFET

為了等一下便于理解IGBT,我還是先講下Power MOSFET的結構。所謂功率MOS就是要承受大功率,換言之也就是高電壓、大電流。我們結合一般的低壓MOSFET來講解如何改變結構實現高壓、大電流。

1)高電壓:一般的MOSFET如果Drain的高電壓,很容易導致器件擊穿,而一般擊穿通道就是器件的另外三端(S/G/B),所以要解決高壓問題必須堵死這三端。Gate端只能靠場氧墊在Gate下面隔離與漏的距離(Field-Plate),而Bulk端的PN結擊穿只能靠降低PN結兩邊的濃度,而最討厭的是到Source端,它則需要一個長長的漂移區來作為漏極串聯電阻分壓,使得電壓都降在漂移區上就可以了。

2) 大電流:一般的MOSFET的溝道長度有Poly CD決定,而功率MOSFET的溝道是靠兩次擴散的結深差來控制,所以只要process穩定就可以做的很小,而且不受光刻精度的限制。而器件的電流取決于W/L,所以如果要獲得大電流,只需要提高W就可以了。

所以上面的Power MOSFET也叫作LDMOS (Lateral Double diffusion MOS)。雖然這樣的器件能夠實現大功率要求,可是它依然有它固有的缺點,由于它的源、柵、漏三端都在表面,所以漏極與源極需要拉的很長,太浪費芯片面積。而且由于器件在表面則器件與器件之間如果要并聯則復雜性增加而且需要隔離。所以后來發展了VDMOS(Vertical DMOS),把漏極統一放到Wafer背面去了,這樣漏極和源極的漂移區長度完全可以通過背面減薄來控制,而且這樣的結構更利于管子之間的并聯結構實現大功率化。但是在BCD的工藝中還是的利用LDMOS結構,為了與CMOS兼容。

再給大家講一下VDMOS的發展及演變吧,最早的VDMOS就是直接把LDMOS的Drain放到了背面通過背面減薄、Implant、金屬蒸發制作出來的(如下圖),他就是傳說中的Planar VDMOS,它和傳統的LDMOS比挑戰在于背面工藝。但是它的好處是正面的工藝與傳統CMOS工藝兼容,所以它還是有生命力的。但是這種結構的缺點在于它溝道是橫在表面的,面積利用率還是不夠高。

再后來為了克服Planar DMOS帶來的缺點,所以發展了VMOS和UMOS結構。他們的做法是在Wafer表面挖一個槽,把管子的溝道從原來的Planar變成了沿著槽壁的 vertical,果然是個聰明的想法。但是一個餡餅總是會搭配一個陷阱(IC制造總是在不斷trade-off),這樣的結構天生的缺點是槽太深容易電 場集中而導致擊穿,而且工藝難度和成本都很高,且槽的底部必須絕對rouding,否則很容易擊穿或者產生應力的晶格缺陷。但是它的優點是晶飽數量比原來多很多,所以可以實現更多的晶體管并聯,比較適合低電壓大電流的application。

還有一個經典的東西叫做CoolMOS,大家自己google學習吧。他應該算是Power MOS撐電壓最高的了,可以到1000V。

3、IGBT的結構和原理

上面介紹了Power MOSFET,而IGBT其實本質上還是一個場效應晶體管,從結構上看和Power MOSFET非常接近,就在背面的漏電極增加了一個P+層,我們稱之為Injection Layer (名字的由來等下說).。在上面介紹的Power MOSFET其實根本上來講它還是傳統的MOSFET,它依然是單一載流子(多子)導電,所以我們還沒有發揮出它的極致性能。所以后來發展出一個新的結 構,我們如何能夠在Power MOSFET導通的時候除了MOSFET自己的電子我還能從漏端注入空穴不就可以了嗎?所以自然的就在漏端引入了一個P+的injection layer (這就是名字的由來),而從結構上漏端就多了一個P+/N-drift的PN結,不過他是正偏的,所以它不影響導通反而增加了空穴注入效應,所以它的特性就類似BJT了有兩種載流子參與導電。所以原來的source就變成了Emitter,而Drain就變成了Collector了。

從上面結構以及右邊的等效電路圖看出,它有兩個等效的BJT背靠背鏈接起來的,它其實就是PNPN的Thyristor(晶閘管),這個東西不是我們刻意做的,而是結構生成的。我在5個月前有篇文章講Latch-up(http://ic-garden.cn/?p=511)就說了,這樣的結構最要命的東西就是栓(Latch-up)。而控制Latch-up的關鍵就在于控制Rs,只要滿足α1+α2<1就可以了。

另外,這樣的結構好處是提高了電流驅動能力,但壞處是當器件關斷時,溝道很快關斷沒有了多子電流,可是Collector (Drain)端這邊還繼續有少子空穴注入,所以整個器件的電流需要慢慢才能關閉(拖尾電流, tailing current),影響了器件的關斷時間及工作頻率。這個可是開關器件的大忌啊,所以又引入了一個結構在P+與N-drift之間加入N+buffer層,這一層的作用就是讓器件在關斷的時候,從Collector端注入的空穴迅速在N+ buffer層就被復合掉提高關斷頻率,我們稱這種結構為PT-IGBT (Punch Through型),而原來沒有帶N+buffer的則為NPT-IGBT。

一般情況下,NPT-IGBT比PT-IGBT的Vce(sat)高,主要因為NPT是正溫度系數(P+襯底較薄空穴注入較少),而PT是負溫度系數(由于P襯底較厚所以空穴注入較多而導致的三極管基區調制效應明顯),而Vce(sat)決定了開關損耗(switch loss),所以如果需要同樣的Vce(sat),則NPT必須要增加drift厚度,所以Ron就增大了。

4、IGBT的制造工藝

IGBT的制程正面和標準BCD的LDMOS沒差,只是背面比較難搞:

1) 背面減薄:一般要求6~8mil,這個厚度很難磨了,容易碎片。

2) 背面注入:都磨到6~8mil了,還要打High current P+ implant >E14的dose,很容易碎片的,必須有專門的設備dedicate。甚至第四代有兩次Hi-current注入,更是挑戰極限了。

3) 背面清洗:這個一般的SEZ就可以。

4) 背面金屬化:這個只能用金屬蒸發工藝,Ti/Ni/Ag標準工藝。

5) 背面Alloy:主要考慮wafer太薄了,容易翹曲碎片。

5、IGBT的新技術

1) 場截止FS-IGBT:不管PT還是NPT結 構都不能最終滿足無限high power的要求,要做到high power,就必須要降低Vce(sat),也就是降低Ron。所以必須要降低N-drift厚度,可是這個N-drift厚度又受到截止狀態的電場約束 (太薄了容易channel穿通)。所以如果要向降低drift厚度,必須要讓截止電場到溝道前提前降下來。所以需要在P+ injection layer與N-drift之間引入一個N+場截止層(Field Stop, FS),當IGBT處于關閉狀態,電場在截止層內迅速降低到0,達到終止的目的,所以我們就可以進一步降低N-drift厚度達到降低Ron和Vce了。 而且這個結構和N+ buffer結構非常類似,所以它也有PT-IGBT的效果抑制關閉狀態下的tailing電流提高關閉速度。

問題來了,這和PT-IGBT的N+ buffer差在哪里?其實之制作工藝不一樣。PT-IGBT是用兩層EPI做出來的,它是在P+ 襯底上長第一層~10um的N+ buffer,然后再長第二層~100um的N-Drift。這個cost很高啊!而相比之下的FS-IGBT呢,是在NPT-IGBT的基礎上直接背面 打入高濃度的N+截止層就好了,成本比較低,但是挑戰是更薄的厚度下如何實現不碎片。

2) 陽極短接(SA: Shorted-Anode):它 的結構是N+集電極間歇插入P+集電極,這樣N+集電極直接接觸場截止層并用作PN二極管的陰極,而P+還繼續做它的FS-IGBT的集電極,它具有增強的電流特性且改變了成本結構,因為不需要共封裝反并聯二極管了。實驗證明,它可以提高飽和電流,降低飽和壓降(~12%)。

6、IGBT的主要I-V特性

IGBT你既可以把它當做一個MOSFET與PiN二極管串聯,也可以當做是一個寬基區的PNP被MOSFET驅動(Darlington結構), 前者可以用來理解它的特性,后者才是他的原理。它看起來就是一個MOSFET的I-V曲線往后挪了一段(>0.7V),因為溝道開啟產生電流必須滿足漂移區電流與漂移區電阻乘積超過0.7V,才能使得P+襯底與N-drift的PN結正向導通,這樣才可以work,否則溝道開啟也不能work的。

7、為什么要重視IGBT?

IGBT是能源轉換與傳輸的核心器件,是電力電子裝置的“CPU” 。采用IGBT進行功率變換,能夠提高用電效率和質量,具有高效節能和綠色環保的特點,是解決能源短缺問題和降低碳排放的關鍵支撐技術。

IGBT的應用領域

按電壓分布的應用領域

1)新能源汽車

IGBT模塊在電動汽車中發揮著至關重要的作用,是電動汽車及充電樁等設備的核心技術部件。IGBT模塊占電動汽車成本將近10%,占充電樁成本約20%。IGBT主要應用于電動汽車領域中以下幾個方面:

A)電動控制系統 大功率直流/交流(DC/AC)逆變后驅動汽車電機;

B)車載空調控制系統 小功率直流/交流(DC/AC)逆變,使用電流較小的IGBT和FRD;

C)充電樁 智能充電樁中IGBT模塊被作為開關元件使用;

2)智能電網

IGBT廣泛應用于智能電網的發電端、輸電端、變電端及用電端:

從發電端來看,風力發電、光伏發電中的整流器和逆變器都需要使用IGBT模塊。

從輸電端來看,特高壓直流輸電中FACTS柔性輸電技術需要大量使用IGBT等功率器件。

從變電端來看,IGBT是電力電子變壓器(PET)的關鍵器件。

從用電端來看,家用白電、 微波爐、 LED照明驅動等都對IGBT有大量的需求。

3)軌道交通

IGBT器件已成為軌道交通車輛牽引變流器和各種輔助變流器的主流電力電子器件。交流傳動技術是現代軌道交通的核心技術之一,在交流傳動系統中牽引變流器是關鍵部件,而IGBT又是牽引變流器最核心的器件之一。

8、IGBT各代之間的技術差異

IGBT各代之間的技術差異

要了解這個,我們先看一下IGBT的發展歷程。

工程師在實際應用中發現,需要一種新功率器件能同時滿足:·驅動電路簡單,以降低成本與開關功耗;通態壓降較低,以減小器件自身的功耗。

回顧他們在1950-60年代發明的雙極型器件SCR,GTR和GTO通態電阻很小;電流控制,控制電路復雜且功耗大;1970年代推出的單極型器件VD-MOSFET通態電阻很大;電壓控制,控制電路簡單且功耗小;因此到了1980年代,他們試圖把MOS與BJT技術集成起來的研究,導致了IGBT的發明。 1985年前后美國GE成功試制工業樣品(可惜后來放棄)。自此以后, IGBT主要經歷了6代技術及工藝改進。

而經過這么多年的發展,我們清楚明白到,從結構上看,IGBT主要有三個發展方向,分別是IGBT縱向結構、IGBT柵極結構和IGBT硅片加工工藝。而在這三個方面的改良過程中,廠商聚焦在降低損耗和降低生產成本兩個方面。

在一代代工程師的努力下,IGBT芯片在六代的演變過程中,經歷了以下變化:

而前面我們已經提到,開發者一般在實際設計中都是使用IGBT模塊應用到實際產品中,所以我們簡略對這個介紹一下。

IGBT模塊按封裝工藝來看主要可分為焊接式與壓接式兩類。高壓IGBT模塊一般以標準焊接式封裝為主,中低壓IGBT模塊則出現了很多新技術,如燒結取代焊接,壓力接觸取代引線鍵合的壓接式封裝工藝。

隨著IGBT芯片技術的不斷發展,芯片的最高工作結溫與功率密度不斷提高, IGBT模塊技術也要與之相適應。未來IGBT模塊技術將圍繞 芯片背面焊接固定 與 正面電極互連 兩方面改進。模塊技術發展趨勢:無焊接、 無引線鍵合及無襯板/基板封裝技術;內部集成溫度傳感器電流傳感器及驅動電路等功能元件,不斷提高IGBT模塊的功率密度、集成度及智能度。

9、國內IGBT與國外的差距

先說一下IGBT的全球發展狀態,從市場競爭格局來看,美國功率器件處于世界領先地位,擁有一批具有全球影響力的廠商,例如 TI、Fairchild、NS、Linear、IR、Maxim、ADI、ONSemiconductor、AOS 和 Vishay 等廠商。歐洲擁有 Infineon、ST 和 NXP 三家全球半導體大廠,產品線齊全,無論是功率 IC 還是功率分離器件都具有領先實力。

日本功率器件廠商主要有Toshiba、Renesas、NEC、Ricoh、Sanke、Seiko、Sanyo、Sharp、Fujitsu、Toshiba、Rohm、Matsushita、Fuji Electric等等。日本廠商在分立功率器件方面做的較好,但在功率芯片方面,雖然廠商數量眾多,但很多廠商的核心業務并非功率芯片,


總體來看,臺灣功率廠商的發展較快,技術方面和國際領先廠商的差距進一步縮小,產品主要應用于計算機主板、顯卡、數碼產品和 LCD 等設備

而中國大陸功率半導體市場占世界市場的50%以上,但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市場上,90%主要依賴進口,基本被國外歐美、日本企業壟斷。

2015年國際IGBT市場規模約為48億美元,預計到2020年市場規模可以達到80億美元,年復合增長率約10%。

2014年國內IGBT銷售額是88.7億元,約占全球市場的1∕3。預計2020年中國IGBT市場規模將超200億元,年復合增長率約為15%。

現在,國外企業如英飛凌、 ABB、三菱等廠商研發的IGBT器件產品規格涵蓋電壓600V-6500V,電流2A-3600A,已形成完善的IGBT產品系列,按照細分的不同,各大公司有以下特點:

(1)英飛凌、 三菱、 ABB在1700V以上電壓等級的工業IGBT領域占絕對優勢;在3300V以上電壓等級的高壓IGBT技術領域幾乎處于壟斷地位。 在大功率溝槽技術方面,英飛凌與三菱公司處于國際領先水平;

(2)西門康、仙童等在1700V及以下電壓等級的消費IGBT領域處于優勢地位。

國際市場供應鏈已基本成熟,但隨著新能源等市場需求增長,市場鏈條正逐步演化。

而在國內,盡管我國擁有最大的功率半導體市場,但是目前國內功率半導體產品的研發與國際大公司相比還存在很大差距,特別是IGBT等高端器件差距更加明顯。核心技術均掌握在發達國家企業手中,IGBT技術集成度高的特點又導致了較高的市場集中度。 跟國內廠商相比,英飛凌、 三菱和富士電機等國際廠商占有絕對的市場優勢。形成這種局面的原因主要是:

(1)國際廠商起步早,研發投入大,形成了較高的專利壁壘。

(2)國外高端制造業水平比國內要高很多,一定程度上支撐了國際廠商的技術優勢。

所以中國功率半導體產業的發展必須改變目前技術處于劣勢的局面,特別是要在產業鏈上游層面取得突破,改變目前功率器件領域封裝強于芯片的現狀。

而技術差距從以下兩個方面也有體現:

(1)高鐵、智能電網、新能源與高壓變頻器等領域所采用的IGBT模塊規格在6500V以上,技術壁壘較強;

(2)IGBT芯片設計制造、模塊封裝、失效分析、測試等IGBT產業核心技術仍掌握在發達國家企業手中。

10、國內現在主要從事IGBT的公司

而從地域上看,國內的IGBT從業廠商則如下圖所示:

近幾年中國IGBT產業在國家政策推動及市場牽引下得到迅速發展,已形成了IDM模式和代工模式的IGBT完整產業鏈,IGBT國產化的進程加快,有望擺脫進口依賴。

11、我國發展IGBT面對的具體問題

雖然用量和可控要求我們發展IGBT,我們也做了很多努力,但當中還是有些問題需要重點考慮的:

(1)IGBT技術與工藝

我國的功率半導體技術包括芯片設計、制造和模塊封裝技術目前都還處于起步階段。功率半導體芯片技術研究一般采取“設計+代工”模式,即由設計公司提出芯片設計方案,由國內的一些集成電路公司代工生產。

由于這些集成電路公司大多沒有獨立的功率器件生產線,只能利用現有的集成電路生產工藝完成芯片加工,所以設計生產的基本是一些低壓芯片。與普通IC芯片相比,大功率器件有許多特有的技術難題,如芯片的減薄工藝,背面工藝等。解決這些難題不僅需要成熟的工藝技術,更需要先進的工藝設備,這些都是我國功率半導體產業發展過程中急需解決的問題。

從80年代初到現在IGBT芯片體內結構設計有非穿通型(NPT)、穿通型(PT)和弱穿通型(LPT)等類型,在改善IGBT的開關性能和通態壓降等性能上做了大量工作。但是把上述設計在工藝上實現卻有相當大的難度。尤其是薄片工藝和背面工藝。工藝上正面的絕緣鈍化,背面的減薄國內的做的都不是很好。

薄片工藝,特定耐壓指標的IGBT器件,芯片厚度也是特定的,需要減薄到200-100um,甚至到80um,現在國內可以將晶圓減薄到175um,再低就沒有能力了。比如在100~200um的量級,當硅片磨薄到如此地步后,后續的加工處理就比較困難了,特別是對于8寸以上的大硅片,極易破碎,難度更大。

背面工藝,包括了背面離子注入,退火激活,背面金屬化等工藝步驟,由于正面金屬的熔點的限制,這些背面工藝必須在低溫下進行(不超過450°C),退火激活這一步難度極大。背面注入以及退火,此工藝并不像想象的那么簡單。國外某些公司可代加工,但是他們一旦與客戶簽訂協議,就不再給中國客戶代提供加工服務。

在模塊封裝技術方面,國內基本掌握了傳統的焊接式封裝技術,其中中低壓模塊封裝廠家較多,高壓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,技術上的差距依然存在。國外公司基于傳統封裝技術相繼研發出多種先進封裝技術,能夠大幅提高模塊的功率密度、散熱性能與長期可靠性,并初步實現了商業應用。

高端工藝開發人員非常缺乏,現有研發人員的設計水平有待提高。目前國內沒有系統掌握IGBT制造工藝的人才。從國外先進功率器件公司引進是捷徑。但單單引進一個人很難掌握IGBT制造的全流程,而要引進一個團隊難度太大。國外IGBT制造中許多技術是有專利保護。目前如果要從國外購買IGBT設計和制造技術,還牽涉到好多專利方面的東西。

(2)IGBT工藝生產設備

國內IGBT工藝設備購買、配套十分困難。每道制作工藝都有專用設備配套。其中有的國內沒有,或技術水平達不到。如:德國的真空焊接機,能把芯片焊接空洞率控制在低于1%,而國產設備空洞率高達20%到50%。外國設備未必會賣給中國,例如薄片加工設備。

又如:日本產的表面噴砂設備,日本政府不準出口。好的進口設備價格十分昂貴,便宜設備又不適用。例如:自動化測試設備是必不可少的,但價貴。如用手工測試代替,就會增加人為因素,測試數據誤差大。IGBT生產過程對環境要求十分苛刻。要求高標準的空氣凈化系統,世界一流的高純水處理系統。

要成功設計、制造IGBT必須有集產品設計、芯片制造、封裝測試、可靠性試驗、系統應用等成套技術的研究、開發及產品制造于一體的自動化、專業化和規模化程度領先的大功率IGBT產業化基地。投資額往往需高達數十億元人民幣。

而為了推動國內功率半導體的發展,針對我國當前功率半導體產業發展狀況以及2016-2020年電力電子產業發展重點,中國寬禁帶功率半導體及應用產業聯盟、中國IGBT技術創新與產業聯盟、中國電器工業協會電力電子分會、北京電力電子學會共同發布《電力電子器件產業發展藍皮書》(以下簡稱《藍皮書》)。

《藍皮書》指出,電力電子器件產業的核心是電力電子芯片和封裝的生產,但也離不開半導體和電子材料、關鍵零部件、制造設備、檢測設備等產業的支撐,其發展既需要上游基礎的材料產業的支持,又需要下游裝置產業的拉動。大家對中國IGBT的未來發展有什么期望?

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