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絕緣柵雙極晶體管（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。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。

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。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4500V IGBT單芯片最大電流容量約150A。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)域占芯片面積的很大一部分，如13.5mm×13.5mm尺寸的4500V芯片，其終端面積占整個(gè)芯片面積的40%以上。因此，單芯片尺寸越大則可以取代更多并聯(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)域來說將更加節(jié)約成本。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得到顯著改善。

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(jiǎn)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，因此單芯片電流容量已成為制約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)力控制等方面。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)定且維持比較高的良率水平。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。

株洲中車的研究人員，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4500V/600A超大功率IGBT芯片，該芯片展示出優(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全新的技術(shù)解決方案，也為大尺寸IGBT芯片描繪了廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 IGBT元胞柵電阻和低時(shí)延?xùn)艠O互連結(jié)構(gòu)

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)，株洲中車的研究人員實(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(zhǎng)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)。

圖2 42mm×42mm IGBT芯片

同時(shí)，通過對(duì)大尺寸4500V/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(cè)試驗(yàn)證，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(guó)外同類產(chǎn)品。就單芯片性能對(duì)比來說，大尺寸4500V/600A IGBT芯片在RBSOA和SCSOA極限能力上也優(yōu)于國(guó)外小尺寸4500V/40A壓接型IGBT芯片。

圖3 IGBT元胞柵電阻和低時(shí)延?xùn)艠O互連結(jié)構(gòu)

圖4 IGBT元胞柵電阻和低時(shí)延?xùn)艠O互連結(jié)構(gòu)

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(jiǎn)化，功率密度和功率容量也有望得到進(jìn)一步提高。

株洲中車研究團(tuán)隊(duì)的科研成果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。這表明大尺寸芯片設(shè)計(jì)與制造技術(shù)對(duì)于提高單芯片電流、簡(jiǎn)化大容量器件封裝結(jié)構(gòu)具有光明的發(fā)展前景。

以上研究成果發(fā)表在2021年第4期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“高壓大電流（4500V/600A）IGBT芯片研制”，作者為劉國(guó)友、黃建偉、覃榮震、朱春林。