如果对IGBT模块的结构进一步细分了解,IGBT模块主要分以下几部分:
IGBT模块主要包括以下几个互连结构层:(1)芯片:包括IGBT芯片和二极管芯片,它们是IGBT模块的核心结构。(2)直接敷铜陶瓷基板(DirectCopperBonded,DCB):包括上铜层、陶瓷基板层和下铜层三个部分。上铜层的正面根据需求刻蚀成了电路,可以为IGBT芯片的集电极、发射极和栅极等电极提供中转以及互连。陶瓷基板层常采用氧化铝或者氮化铝材料制成,它主要是为芯片和其下部的结构层提供绝缘,同时为芯片和上铜层提供支撑和散热。下铜层的主要作用是为各个芯片提供散热路径。(3)铜基板:它可以为芯片提供散热通道,同时为其上部的结构层提供支撑。(4)焊料层:主要起到了连通芯片、直接敷铜陶瓷基板的上铜层、直接敷铜陶瓷基板的下铜层和铜基板的作用。(5)Al键合线:通常采用多根并联的方式,键合线一端键合于芯片上,另一端键合于直接敷铜陶瓷基板的上铜层。Al键合线的主要作用是实现芯片与外部连接端子之间的互连。(6)Al金属化层:具有延展性好,导电性能优等特点,促成了IGBT芯片与Al引线的键合。(7)外部连接端子:包括发射极母排和集电极母排,它们一端跨接在直接敷铜陶瓷基板的上铜层,另一端裸露于器件外部,主要实现IGBT芯片与外部电路的互连。(8)硅胶:用于保护各互连结构层免受外部酸碱腐蚀,同时可以保护各互连结构层免受振动冲击。(9)外壳:包括由环氧树脂制成的侧框和上部的管盖,可以保护IGBT模块内部的互连结构层免受外部环境的影响。五、IGBT模块封装技术在讲解IGBT模块制造环节时,我们先了解IGBT模块的封装部分。典型功率模块的外观及截面如下图所示,其中上铜层布置功率半导体/二极管芯片/键合线等电气部分,由DBC提供电路布局、绝缘、传热、机械支撑等功能,散热基板向上支撑衬板,向下与散热介质接触。传热路径上主要部件依次为功率芯片、芯片焊料、上铜层、陶瓷、下铜层、DBC焊料与基板。下图是一款IGBT模块的内部结构,在IGBT模块内部集成了6个IGBT芯片,分别命名为IGBTⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。这6个IGBT芯片分为上、下两个半桥臂,其中,IGBTⅠ、Ⅱ、Ⅲ并联连接组成上半桥臂,IGBT Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ并联连接组成下半桥臂,两个半桥臂之间串联连接。每个IGBT芯片的两端反并联有1个二极管,用于实现续流。在解决IGBT封装问题上,大部分精力集中在解决IGBT模块的散热上,毕竟任何功率器件在温度过高的环境下更容易老化失效。在IGBT的封装结构优化上,主要从两方面进行了考虑,一方面就是封装过程中引线键合方式,俗称绑定(英文Bonding的读音),另一方面就是芯片的布局方式优化。在引线键合方式的优化上,绑定落点数量的增加有利于降低芯片金属层中落点周围的电流密度,当新增一个落点后,芯片金属层的最大电流密度降低了20%,这使得功率循环性能提高了4倍。自此,多落点绑定线结构在高电流大面积芯片中广泛采用。为了有效缓解绑定落点的热应力,多样化的绑定线布局方式可用于降低芯片温度。ABB公司提出了一种多落点绑定线结构,它与传统布线之间的对比如图所示。根据对IGBT模块芯片不同布局方式进行热力学仿真分析发现,IGBT芯片在不同布局方式下,散热情况存在差异:因此,国内外学者在电控功率模块封装布局热优化上进行了初步实践。针对多芯片并联结构调整芯片的位置,使其离射极电极位置更近,芯片布置从部分交错式改为水平对齐式,从而使芯片支路电流不均衡度从50%降低到33%。根据不同产品的设计,布局设计自由度有回路数量、芯片布局范式、DBC尺寸、绑定布线范式、绑定DBC落点位置、开尔文布线、射极电极位置等。下图是不同公司IGBT模块芯片布局方式:通过汇总了各模块的封装布局特征,归纳可知绑定线含并排式、交错式、叠层式,多芯片布局含部分交错式、连续交错式、水平对齐式、竖直对齐式等。其中图(g)(h)采用多芯片布局采用双回路结构。图(d)多芯片间采用了串联式开尔文布线结构。图(g)射极电极设立在芯片1之下。通过对IGBT芯片布局的优化,可有效降低芯片支电流,降低单芯片发热量,下图是将3片芯片布局方式进行优化后,芯片支路电流的变化。六、IGBT芯片制造技术功率器件IGBT模块芯片生产流程长,工艺复杂,细节较多,但整理工艺流程如下图所示:1.基板IGBT基板是P-N结.2.B+注入使用离子注入设备,对P-N结进行离子注入.3.绝缘膜形成
通过CVD形成掩膜绝缘层4.掩膜用绝缘膜加工
通过刻蚀和去胶处理绝缘膜5.P+注入
使用离子注入设备进行P离子注入.6.形成沟槽
通过刻蚀形成沟槽7.形成绝缘膜
再次通过CVD形成绝缘膜8.绝缘膜加工
通过刻蚀和去胶处理绝缘膜9.形成Emitter电极通过溅射或蒸镀形成电极10.形成P+FS层通过离子注入设备形成P+FS层11.形成B+(Collector)通过离子注入设备形成B+(Collector)12.形成Collector通过溅射或蒸镀形成Collector通过上述工艺,完成了一个标准的IGBT芯片的制造流程.下图是详细IGBT芯片内部结构:根据对IGBT芯片内部结构设计的不同,又可分为PT型、NPT型、FS型,如下图所示:七、SiC IGBT优势及应用目前报道的Si IGBT最高耐压是8.4kV,并且已经非常接近Si器件的极限。同时,工作频率和结温也是限制Si IGBT的主要因素之一。碳化硅(Silicon Carbide,SiC)绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)在超高压电力传输系统等超高压应用领域具有广泛的应用潜力。2017年,特斯拉通过为其Model3开发碳化硅(SiC)传动系统逆变器开辟了新天地,成为第一家这样做的电动汽车制造商。特斯拉首先采用了意法公司的碳化硅MOSFET器件制作的全碳化硅模块。近几年来,比亚迪、奥迪、丰田等公司也在其汽车中开始采用全碳化硅功率模块。下图是特斯拉Model3碳化硅(SiC) IGBT模块:SiC于1823年在斯德哥尔摩karolinska大学的化学实验室中被Jons Berzelius教授发现。1987年,美国CREE报导了其制造的6H-SiC单晶,宣布SiC正式进入了一个高速发展的时代,CREE也成为全球第一家制造和销售SiC晶片和器件的公司。2001年英飞凌公司推出第一款商业SiC二极管器件,SiC开关管器件逐渐成熟,SiC结型场效应管(Junction Field Effect Transistor,JFET)、金属氧化层半导体场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)的开发逐步从实验室研发阶段进入商业化阶段。JFET器件和MOSFET器件为单极型器件,其开关速度高,主要适用于0.6kV~10kV 的范围,双极结型晶体管(Bipolar Junction transistor,BJT)、绝缘栅双极型晶体管(Insulator Gate Bipolar Transistor,IGBT)、门极可关断晶闸管(Gate Turn-off Thyristor,GTO)为双极型器件,适用于10kV以上高压范围。2006年英飞凌发布了世界首款SiC商业化开关器件JFET器件。2008年TranSiC与Semisouth公司分别发布了首款SiC BJT器件和常关型的SiC JFET。但MOSFET器件的产品化一直处于空白之中。随着工艺技术的发展尤其是栅氧界面处理技术的成熟,2010年Cree和Rohm推出了平面栅MOSFET产品,而英飞凌公司以及联合SiC公司也陆续投入MOSFET器件的研发。2015年Rohm从原来的平面栅MOSFET切换技术路线成为了双沟槽栅MOSFET,Infineon于2017年发布了沟槽栅MOSFET产品。下表中列出了几种常见半导体的材料特性,从中可以看出4H-SiC的禁带宽度是Si的约3倍,同一温度下SiC拥有更低的本征载流子浓度;临界电场约10倍,使SiC可以耐受更高的电压;饱和漂移速度约2倍,使SiC器件具有高速、高频的特性优势;热导率约3倍,使SiC器件可以在更高的温度下工作,减小散热系统体积从而减小整机体积。同时,虽然SiC是化合物半导体材料,但是仍然可以在其上通过热氧化的方法形成二氧化硅(SiO2)层,这对于制造SiC栅控型器件非常有利。以上种种优势使得SiC和氮化镓(GalliumNitride,GaN)、金刚石材料(Diamond)一起被誉为发展前景十分广阔的第三代半导体材料。得益于SiC优良的材料特性,SiC IGBT在超高压(≥15kV)应用领域具有不可替代的地位,例如电力传输、电力存储、超高压电网接口等超高压电力传输系统,以及舰船全电推进系统中的电能管理系统、全电推动航天器、电磁弹射技术、电磁轨道炮、脉冲激光武器等高端军事应用。目前,SiC IGBT已经成为各国半导体研究工作的重点,其中美国CREE一直是SiC IGBT器件研究的引领者。八、SiC IGBT的内部结构碳化硅MOSFET是目前碳化硅器件中最受关注的开关型器件,主要功率器件的企业(Cree、ST、Rohm、Infineon等)都推出了相关的产品。每代产品都在元胞设计、导通压降以及栅极驱动电压方面不断进步。其中Cree和ST专注于平面栅MOSFET的开发,Rohm公司推出了第一代和第二代平面栅MOSFET之后推出了第三代的沟槽栅MOSFET,英飞凌亦采用了沟槽栅MOSFET。MOSFET器件的发展趋势就是更小的比导通电阻。随着材料生长和工艺的逐步成熟,SiC逐步应用于垂直功率器件。然而早期由于受到SiC离子注入工艺水平的制约,研究人员采用外延掺杂的方式来生长MOSFET的N+区和P阱区。由于沟槽型MOSFET工艺较为简单,1993年该工艺成为最先被用于研制SiC MOSFET器件。由于沟槽型MOSFET耐压较低,并且随着离子注入和高温退火激活工艺的不断成熟,研究重点又从沟槽型MOSFET变为平面栅双注入MOSFET(DMOSFET)。传统N沟道穿通型SiC IGBT器件的元胞结构如下图所示,其中(a)是平面型结构, (b)是沟槽型结构。在芯片制造时,碳化硅材料中N型离子注入工艺,常见掺杂离子包括氮离子(N)和磷离子(P)。针对碳化硅材料中P型离子注入,常见的掺杂离子包括铝离子(Al)和硼离子(B)。离子注入工艺后,注入区域产生大量的缺陷,且掺杂离子大部分处于原子间隙位置,未能产生有效地激活,因而需要退火工艺对缺陷进行修复。碳化硅平面栅MOSFET器件的工艺如下图所示。第一个工序需要在外延片上进行对准标记的制作,且需要使用该对准标记与后面的图形进行对准。第二至第四个工序,都需要离子注入工艺。离子注入工艺决定了结的形貌和相互关系,在平面栅MOSFET中尤其重要。第二个工序利用Al元素进行P阱的离子注入。第三个工序利用N元素进行N+的离子注入。第四个工序利用Al元素同时进行源区以及结终端区域的离子注入。第五个工序中需要高温退火和热氧化工艺。第六个工序工艺生长多晶硅栅及其图形化刻蚀工艺。第七个工序是钝化层工艺。第八个工序是欧姆接触工艺。通过上述主要工艺后,即完成碳化硅平面栅MOSFET器件的制造.SiC是宽禁带半导体材料,相比Si而言具有更大的禁带宽度,更高的临界击穿场强和热导率等优异的材料特性。因此在相同条件下,SiC电力电子器件具有更高的阻断电压,更大的输出功率、更高的工作频率以及更好的温度特性等优势。九、总结随着SiC MOSFET器件逐步使用,对其技术性能的要求越来越高,其中器件的可靠性成为关注重点。从平面栅和沟槽栅的对比来看,平面栅MOSFET由于不存在栅槽,因此其可靠性相对优异。在市场上,平面栅MOSFET已逐步进入市场,甚至部分进入了电动车领域,而沟槽栅MOSFET正在进行可靠性的测试。如今使用碳化硅MOSFET体二极管作为续流二极管的场合越来越多,而其体二极管由于为PN二极管,因此其开启电压较高,会带来较高的导通损耗。同时PN二极管也会在高温使用场景中带来较大的反向恢复电荷,导致整机应用的效率降低。总的来说,在新能源汽车应用越来越成熟的情况下,IGBT的功能及材料的提升也将得到快速发展.本人也将介绍更多的半导体技术.参考文献:
(1)大功率多芯片IGBT模块热应力快速评估与布局优化设计研究[D] 陈宇;
(2)超高压碳化硅IGBT器件结构设计研究[D] 陈致宇
(3)高鲁棒性碳化硅MOSFET的设计研制和评估[D] 徐弘毅
(4)功率器件IGBT封装钎焊接头可靠性研究[D] 康云庆
(5)IGBT模块键合线设计及可靠性研究[D] 覃麒境
(6)IGBT模块Al金属化层微结构演化与电性能退化研究[D] 赵静毅