Statut technique et caractéristiques de la puce IGBT haute puissance

Cet article analyse respectivement la structure de la puce IGBT, la structure de la zone collectrice sur la structure MOS arrière et avant, le système analyse la situation actuelle de la technologie et les caractéristiques de la puce IGBT haute puissance, sous deux aspects du soudage des puces et de l'interconnexion des électrodes. La technologie d'encapsulation des modules IGBT est introduite, et la nouvelle structure, la nouvelle technologie et la technologie des nouveaux matériaux analysent en trois aspects la technologie IGBT dans l'orientation du développement du futur.

Le transistor bipolaire à grille isolée (transistor bipolaire à grille isolée, l'IGBT) fait partie du transistor à effet de champ à oxyde métallique (MOSFET) et du transistor bipolaire (bipolaire) développé sur la base d'un nouveau type de dispositif de puissance composite, avec des fonctions d'entrée MOS et bipolaire. sortir.

L'IGBT présente les avantages d'une faible chute de tension, d'une densité de courant élevée, d'une résistance à haute tension et d'une puissance d'entraînement MOSFET de faible puissance, d'une vitesse de commutation rapide, d'une impédance d'entrée élevée et d'une bonne stabilité thermique.

En tant que dispositif central du convertisseur électronique de puissance, il jette les bases de la haute fréquence, de la miniaturisation, des hautes performances et de la haute fiabilité du dispositif d'application.

Depuis l'application commerciale de l'IGBT, en tant que principal type de nouveaux dispositifs à semi-conducteurs de puissance, l'IGBT occupe une position importante dans la plage d'application de fréquence de 1 à 100 kHz, avec une plage de tension de 600 V à 6 500 V et une plage de courant de 1 A à 3 600 A. (module 140 mm x 190 mm).

L'IGBT est largement utilisé dans les industries 4C (communications, ordinateurs, électronique grand public, électronique automobile), aérospatiale, défense et autres industries traditionnelles, ainsi que dans le transport ferroviaire, les nouvelles énergies, les réseaux intelligents, les véhicules à énergie nouvelle et d'autres industries stratégiques émergentes.

L'adoption de l'IGBT pour la transformation de l'énergie peut améliorer l'efficacité et la qualité de l'utilisation de l'électricité, et présente les caractéristiques d'un rendement élevé, d'économies d'énergie et de protection de l'environnement vert.Il s’agit de la technologie de support clé pour résoudre le problème de la pénurie d’énergie et réduire les émissions de carbone.Par conséquent, il est appelé « CPU » des produits de convertisseur de puissance et « noyau de l'économie verte ».

Dans le futur, l’IGBT jouera un rôle plus important dans la satisfaction des besoins stratégiques de réduction des émissions mondiales de CO2 et constituera un pivot important des technologies d’économie d’énergie et d’économie à faibles émissions de carbone.

À l'heure actuelle, les sociétés mondiales de semi-conducteurs de haute puissance sont en plein essor dans la recherche et le développement des IGBT, la recherche et l'innovation technologique sont de plus en plus accélérées, les fabricants de conception et de production de puces IGBT sont Infineon, ABB, Mitsubishi Electric, Dynex(China South Car,

CSR), IXYS Corporation, International Rectifier, Powerex, Philips, Motorola, Fuji Electric, Hitachi, Toshiba, etc., principalement concentrés en Europe, en Amérique, au Japon et dans d'autres pays.

Pour diverses raisons, bien que la recherche et le développement de la technologie IGBT nationale aient commencé tôt, les progrès sont lents, en particulier dans la phase initiale d'industrialisation de l'IGBT, en tant que plus grand marché d'applications IGBT au monde, le module IGBT repose principalement sur les importations.

Ces dernières années, sous la direction et l'organisation de la politique macro nationale, les entreprises nationales ont réalisé de nombreux progrès gratifiants à travers divers canaux dans le domaine des puces, des modules et d'autres domaines IGBT, la RSE des semi-conducteurs britanniques Dynex par le biais de fusions et d'acquisitions, a tiré pleinement parti des riches pays européens. ressources techniques, mis en place un centre de recherche et développement à l'étranger pour les semi-conducteurs de puissance, maîtrisé rapidement la conception avancée des puces IGBT de 1 200 V à 6 500 V, le processus de fabrication et la technologie d'encapsulation de modules, et à Zhuzhou, la construction d'une ligne de production avancée d'encapsulation de puces IGBT de 8 pouces.

La puce IGBT sera produite en série début 2014.

Le four eutectique sous vide IGBT, produit par TORCHE , alimente les usines d'IGBT et ajoute des briques et du mortier aux produits IGBT fabriqués en Chine avec une technologie et une technologie professionnelles.

En termes de technologie d'emballage de modules, la Chine maîtrise fondamentalement la technologie d'emballage de soudage traditionnelle, parmi laquelle il existe de nombreux fabricants d'emballages de modules IGBT moyenne et basse tension, tandis que l'emballage de modules IGBT haute tension se concentre principalement sur le CSR et le CNR.

Le fossé technologique persiste avec les entreprises étrangères.

Sur la base de la technologie d'emballage traditionnelle, les sociétés étrangères ont développé une variété de technologies d'emballage avancées, qui peuvent améliorer considérablement la densité de puissance, les performances de dissipation thermique et la fiabilité à long terme du module, et ont initialement réalisé l'application commerciale.

TORCHE La technologie d'emballage sous vide du camarade IGBT a été testée à long terme chez BYD et d'autres grandes sociétés d'IGBT.

2 statut technique

2.1 Technologie des puces IGBT

La puce IGBT (four eutectique sous vide) est structurellement composée de dizaines de milliers de cellules (unités répétitives) et est fabriquée par la technologie lsi et la technologie des dispositifs d'alimentation [2].

La structure de chaque cellule est illustrée dans la figure 2 ci-dessous, qui peut être divisée en trois parties : la structure du corps, la structure MOS avant et la structure de la région du collecteur arrière.

Le développement de la technologie de conception de structure volumique pour les IGBT commerciaux est passé par un processus allant du Punch Through (PT) au Non Punch Through (NPT), puis au Soft Punch Through (SPT), comme le montre la figure 3 [3].

Avant la structure traversante, la structure globale de l'IGBT était une structure non traversante basée sur le processus de diffusion de tranches épaisses, et l'efficacité d'injection du trou arrière était très élevée.En raison de la structure parasite du thyristor à l'intérieur du dispositif, l'IGBT avait tendance à se verrouiller lorsqu'il fonctionnait, il était donc difficile de réaliser une utilisation commerciale.

Avec le développement de la technologie épitaxiale, la couche tampon de type n a été introduite pour former une structure pénétrante, ce qui a réduit l'efficacité de l'injection des trous à l'arrière et a permis une application par lots.Cependant, en raison des caractéristiques de la technologie épitaxiale, le développement de l'IGBT haute tension a été limité et son niveau de tension le plus élevé était de 1 700 V.

Avec le développement de la technologie des tranches minces zonales, la structure sans passage IGBT basée sur des substrats de type N favorise l'amélioration continue du niveau de tension, et l'IGBT a un coefficient de température positif à travers la technologie de contrôle de l'efficacité de l'injection de trous, qui peut mieux réaliser le parallèle application et améliorer le niveau de puissance de l’application.

Avec l'augmentation du niveau de tension, l'épaisseur du substrat de la puce augmente également rapidement, et conduit finalement à une augmentation de la chute de pression, afin d'optimiser l'état de la chute de pression et de la pression, la relation entre la structure locale à travers la structure apparaît au moment historique, ABB est appelé Soft Through (Soft Punch Through, SPT) [4], infineon est appelé le champ électrique comme (Field Stop, FS) [5], mitsubishi appelé faible Through (Light Punch Through, LPT) [6].

IXYS l'appelle eXtremely light Punch Through (XPT), ainsi que d'autres noms tels que Thin Punch Through (TPT) et Controlled Punch Through (CPT)[7].

Sous la même résistance à la pression, l'épaisseur de la structure souple traversante est 30 % inférieure à celle de la structure non traversante, tout en maintenant le coefficient de température positif de la structure non traversante.

Ces dernières années, diverses technologies améliorées et technologies de puces ultra-minces sont basées sur la structure du corps soft-through-through.Actuellement, l'épaisseur de la puce IGBT à passage souple de qualité tension 600 V peut atteindre 70 um.

La structure du collecteur de l'IGBT affecte le gain du transistor PNP et a une influence importante sur la chute de tension directe et la perte de coupure.

Les premiers IGBT de type pénétrant présentaient une grande profondeur de jonction dans la zone du collecteur et une efficacité d'injection de grands trous, sujette à l'effet de verrouillage.Par conséquent, une technologie locale de contrôle de la durée de vie doit être adoptée pour contrôler l’efficacité de l’injection dans le trou arrière, mais le coefficient de température négatif de la chute de pression de conduction résultait de la surface, ce qui n’était pas propice à une application parallèle.

Le dernier IGBT non pénétrant, doté d'une structure collectrice transparente,

L'injection du trou est contrôlée, le contrôle local de la durée de vie est éliminé et le coefficient de température positif de chute de pression de conduction est réalisé.Cette technique structurelle a été utilisée jusqu'à ce jour et a été optimisée pour améliorer la vitesse de coupure et les caractéristiques de la zone de travail sûre contre les courts-circuits.

Compte tenu de la difficulté de traiter des puces avec une tension inférieure à 1 200 V en raison de l'épaisseur de la puce, une structure de « collecteur transparent interne » est proposée, qui UTILISE la méthode d'implantation d'ions hélium et d'épitaxie pour éviter la puce ultra-mince. technologie de traitement pour former un collecteur transparent.

La structure du collecteur a également une influence importante sur les caractéristiques de la zone de travail sécurisée, en particulier la zone de travail sécurisée contre les courts-circuits.Pour les applications avec des exigences particulières sur les caractéristiques de la zone de travail sûre contre les courts-circuits, le compromis entre la perte de charge et la concentration de dopage de la zone du collecteur et l'efficacité d'injection de la couche tampon peut être obtenu en contrôlant et en optimisant la concentration de dopage de la zone collectrice et l'efficacité d'injection de la couche tampon.

La structure MOS avant de l'IGBT comprend des régions de grille et d'émetteur.

La structure de grille est de deux types : une grille plane (figure 4(a)) et une grille à rainure (figure 4(b)).

La structure de grille planaire présente une couche d'oxyde de grille de bonne qualité, et sa capacité de grille est faible, et elle ne provoquera pas de concentration de champ électrique au bas de la grille et n'affectera pas la tension de tenue.Par conséquent, il est largement utilisé dans les IGBT haute tension (classe de tension de 3 300 V et plus).

Grâce à l'optimisation et à l'amélioration de la structure de grille planaire, la capacité de grille peut être encore réduite et d'autres caractéristiques de fonctionnement peuvent être améliorées, telles que la réduction du temps de stockage de la grille, la réduction des pertes de commutation et la réduction des surtensions de tension de grille dans le test de zone de travail sécurisée contre les courts-circuits (SCSOA) [ 16].

Canalisera et structure de porte rainurée de l'horizontale à la verticale, éliminera l'effet de la résistance de conduction RJFET, peut également améliorer la densité cellulaire, réduisant ainsi la consommation d'énergie [17], ils sont donc largement utilisés en basse tension (1700 V) et produit sous tension, mais la gravure des rainures après une surface rugueuse peut provoquer une concentration de champ électrique, une mobilité des porteurs et affecter la tension de claquage, et la surface de grille en polysilicium augmente, ce qui entraîne une augmentation de la capacité de grille, de plus, en raison de la densité de courant, cela entraîne une diminution de la capacité de court-circuit.

Afin de réduire la capacité de grille et le courant de court-circuit, il est nécessaire d'optimiser la structure cellulaire, comme le montre la figure 5.

Mitsubishi a proposé une structure IGBT « combinée cellulaire » (cellules branchées/factices)[18-19] (FIG. 6) pour réduire le courant de saturation, améliorer la capacité de court-circuit et supprimer l'oscillation de la tension de grille pendant les tests de court-circuit.

Afin de répondre aux différents besoins d'emballage, l'électrode de grille IGBT peut être située au centre de la puce, au centre du bord et dans le coin, pour l'emballage de soudage, ces trois positions peuvent répondre aux exigences, pour l'emballage de compression, choisissez généralement pour placer l'électrode de grille dans le coin.

Actuellement, la technologie d'amélioration avancée consiste à améliorer l'efficacité de l'injection d'électrons à l'extrémité proche de la région de l'émetteur en optimisant la structure MOS sur la face avant, de manière à optimiser la relation de compromis entre la chute de pression marche-arrêt et la perte de coupure (figure 7).

La structure Carrier Storage Layer (CSL)/Hole Barrier Layer (HBL) est couramment utilisée, comme le montre la figure 8.

Comme le montre la figure, la structure entoure le puits P en définissant une région dopée de type N à la périphérie du puits P.

La région dopée raccourcit la longueur du canal et augmente les flux de porteurs de trous de barrière vers l'émetteur IGBT, ainsi dans le piège P forme une couche d'accumulation de trous, et augmente l'état des électrons de conduction grâce à l'efficacité de l'injection du canal MOS. , améliore son effet de modulation de conductivité, peut réduire considérablement la perte de conduction de l'appareil.

Dans la réalisation du procédé, le procédé auto-aligné peut être utilisé, sans augmenter le nombre de lithographies.

Cependant, il s’avère que la région dopée n sous le piège p n’est pas bonne pour la résistance en tension de la puce.

Afin d'obtenir un meilleur compromis entre la chute de tension marche-arrêt et la tension de blocage, la technique de dopage de type n à côté du puits p a été développée, c'est-à-dire qu'une paire de régions symétriques dopées n ont été formées des deux côtés du puits p. -Eh bien, comme le montre la figure 9 [23].

Par rapport à la technologie de structure de barrière de couche de mémoire de support/trou, la différence est que la région dopée n'entoure pas le bas et le coin du piège en P, réduisant ainsi efficacement la chute de tension sur la puce tout en maintenant la résistance à la tension de la puce au maximum. étendue.

D'autres mesures d'amélioration comprennent l'optimisation de la structure cellulaire du sillon ou l'utilisation d'une structure de sillon spéciale pour réduire l'efficacité de l'extraction des trous dans la région de base, de manière à atteindre l'objectif d'amélioration de l'injection d'électrons et à réduire la perte de conduction tout en maintenant un faible virage. -hors perte.

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