功率半導體技術及應用

近期，半導體芯片領域非常熱鬧。芯片是工業的“糧食”，是支持整個社會發展和經濟發展的基礎性核心產業，是國民經濟的命脈。功率半導體作為能源物聯網的“CPU”，是弱電控制與強電運行的橋梁，能夠實現能源的傳輸、轉換與控制。功率半導體具有獨特的結構、機理和制造工藝，融合了越來越多的微電子制造工藝，與我們日常生活碰到的集成電路芯片有所差別。

1.功率半導體材料技術演變

功率半導體器件離不開材料的支撐。半導體材料從40年代起到現在，主要經歷了三代：第一代是元素半導體，主要材料為鍺（Ge）、硅（Si）；第二代是化合物半導體，主要材料為砷化鎵（GaAs）、硫化錫（InP）；第三代為寬禁帶半導體，主要材料為碳化硅（SiC）、氮化嫁（GaN），其擁有更寬的禁帶、更高的臨界擊穿電場、更高的熱導率，因此特別適合高壓、高溫和高頻應用。第二代化合物半導體主要用在微波射頻方面，大功率半導體用的材料主要是第一代和第三代。

2.功率半導體技術演變

功率半導體器件自40年代在美國發明以來，其技術演變也經歷了三代：第一代包括鍺管、硅二極管和晶閘管，以硅基晶閘管為代表，主要特征是半控性，只能控制導通，不能自主關斷；第二代主要以硅材料為主，包括MOSFET、GTO、IGBT和IGCT，最主要特點是不僅可以控制開通，而且有自主關斷能力，可以實現自由開關，且頻率更高；第三代半導體，以寬禁帶材料為主，包括SiC、GaN材料等，SiC材料和器件雖然上世紀八十年代就開始有研究，但真正的快速發展還是在2000年以后，目前雖有SiC SBD和MOSFET產品，但技術尚未成熟。

目前主流、使用較多的半導體器件，一是晶閘管，它可以輸出較大功率，但頻率相對較低，主要用于直流輸電和大功率低頻電源等；二是IGCT，它是將GTO與門極驅動電路以低感方式集成在一起，這樣可以改善關斷性能，此器件目前主要用于大功率電機傳動，包括船舶驅動、海上風電等；三是IGBT，自上世紀90年代突破技術瓶頸以后，已經實現產業化和大規模應用，當前大功率IGBT最高可實現6500V，其應用方式較廣，包括軌道交通、光伏發電、汽車電子等，是當前主流開關器件。

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IGBT技術進展及其新能源汽車應用

IGBT是在MOS基礎上發展出的復合型功率半導體器件，是傳統電力電子技術與微電子技術結合的產物。IGBT是電壓控制型的功率開關器件，工作頻率介于MOS和BJT之間，功率容量較大。它最大的技術挑戰是要以微電子的精細結構，耐受傳統電力電子的功率開關與開關過程中的各種電磁熱機械應力等非常嚴酷的應用考驗。

IGBT是上世紀80年代初發明，30年來，其功率密度提高了3倍，損耗只有原來的1/3，可靠性越來越高，芯片越來越小的，但控制的功率則越來越大。

1.IGBT發展的技術挑戰

當前IGBT的發展存在三個技術瓶頸：一是降低導通損耗；二是降低開通損耗、開通損耗；三是魯棒性，要讓各項參數都運行在安全工作區（SOA）之內，包括正偏安全工作區（FBSOA）、反偏安全工作區（RBSOA）、開關安全工作區（SSOA）和短路安全工作區（SCSOA）。平衡和優化好這三者關系，能夠讓IGBT向更大功率、更高密度、更高可靠性發展。

2.封裝形式

目前IGBT主要有以下幾種封裝形式：

一是TO標準塑封模塊結構，此結構較簡單，成本也較低，主要是單芯片或一個IGBT和一個二級管等兩種形式，但是這種封裝形式的熱循環壽命有限。

二是工業/汽車級標準功率模塊結構，目前來看，只要功率超過幾個千瓦以上，都會采用這種模塊封裝的形式，其特點是散熱好，功率循環和熱循環壽命相對較好，且工藝相比其他形式更為成熟，成本相對適中。

三是壓接式IGBT，這種封裝方式沒有焊層、引線鍵合，它最大的特點是功率容量大，擁有更高的安全工作區（SOA），且具有失效短路特性，適用于串聯應用、可以承受較高電壓，但是工藝較為復雜，成本較高。

3.IGBT的應用

下面以高鐵和純電動汽車的應用來說明IGBT可靠性要求：

高鐵常用的IGBT是1500A/3300V焊接型模塊，一列長編組由256只模塊組成，包括9216片芯片，折算芯片面積約為1.68㎡，擁有接近1.5億個IGBT元胞，只要其中一個元胞失效，這列高鐵就會出現故障，因此對IGBT可靠性要求非常高。

而汽車用IGBT功率小很多，主要用于電機驅動、DC/DC升壓變換器、雙向DC/AC逆變器，以及充電端的DC/DC降壓變換器，電機控制器用一個6單元模塊，這種IGBT包括36片芯片，約240萬個元胞，任何一個元胞出故障，汽車也會出現故障，對IGBT的可靠性要求也非常高。除此之外，新能源汽車對功率半導體在損耗、功率密度以及成本上也有著更高的技術需求。

目前來看，并不是所有器件都能應用于新能源汽車。新能源汽車中IGBT面臨著復雜的使用環境和應用工況：一是車載工況功率循環波動比高鐵還要復雜；二是長期處于高震動、高濕度、高溫度的工作環境；三是裝配體積、重量和制造成本有嚴格限制；四是汽車模塊的長期壽要長于20km或長于15年使用壽命。

4.功率半導體的技術要求

汽車級功率半導體模塊標準長期缺失，直到最近幾年才有一些標準可以參考。汽車IGBT一是要滿足最新汽車級標準LV324/AQG324的要求，二是中國IGBT聯盟和中關村寬禁帶聯盟等團體標準。這些標準主要在溫度沖擊、功率循環、溫度循環、結溫等與全生命周期可靠性相關的一些方面提出了更高的標準。

目前，IGBT的技術能夠為汽車應用提供完整的解決方案，滿足市場多樣化的需求，包括更高的功率密度、更高的可靠性、更高的工作結溫、更低的成本以及定制化的能力。

中國作為全球新能源汽車最大的應用市場，2018年將近130萬輛汽車，到2020年將達到200萬輛新能源汽車，為汽車IGBT市場提供了一個非常好的市場空間。

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車規級IGBT的技術挑戰與解決方案

新能源汽車對IGBT提出非常高的要求，要求其擁有更強大、更高效的功率處理能力，同時也要降低本身過多的電力消耗和不必要的熱量產生，以提高整車的性能。

1.技術難題與挑戰

目前技術方面遇到的主要難題：一是續駛里程與排放要求帶來的低損耗問題；二是輕量化帶來的高功率密度與散熱問題；三是惡劣運行環境與極端工況所要求的的安全工作區和長期可靠性問題；四是汽車產業生態要求的低成本問題。

目前車規級IGBT面臨的技術挑戰：一是芯片的設計與制造，芯片低功耗高與高可靠性、高功率容量之前較難平衡；二是芯片封裝的全流程，解決高效散熱、可靠性等并進行性能驗證，以確保汽車長期的可靠運行；三是如何通過驅動控制，保障某些特殊工況下IGBT的正常運行。

2.車規級IGBT拓撲結構

目前IGBT的拓撲結構有三種：單管模塊、2 in 1模塊、6 in 1模塊，組成一個完整的3相全波整流電路，通過靈活的電路拓撲可以實現在汽車上不同的集成應用要求。

3. 各企業技術路線圖

（1） 英飛凌

2013年起，英飛凌對車規級IGBT芯片技術進步作出了很多貢獻，包括IGBT3和HybridPACK 2。電壓從650V提高到750V，電流密度從150A/cm2提高到270A/cm2，功率密度約為2kw/mm2，比高鐵IGBT功率密度更高。

（2） 三菱

三菱在芯片和封裝環節做了大量的研發工作，其雙面散熱技術相對領先。

（3） 中車

中車自2008年進入IGBT領域，經過10年發展，目前IGBT在高鐵上的應用已經實現了自主化，電網的應用也開始批量、大規模推廣。2012年起，中車開始布局車規級IGBT的研發工作，目前已經研發兩代車規級IGBT技術，包括第5代高性能溝槽柵和第6代精細溝槽柵IGBT芯片，電流密度達到275A/cm2，與國外先進水平相當，并已開始研發基于逆導RET技術的下一代更高電流密度芯片。

4. 車規級IGBT技術解決方案

（1）高性能FRD

使用高性能FRD，可以有效減小振蕩和干擾問題，穩定車規級IGBT的運行。目前，中車FRD主要是基于先進PIC結構，通過質子和電子輻照，對少子壽命進行控制，實現了與IGBT性能上的良好匹配。另一種解決方案是使用SiC SBD來實現IGBT的續流控制，這種方式可以降低IGBT模塊30%的損耗，但弊端是因為SBD反向恢復快、會對IGBT的開通造成很大電流沖擊，影響長期可靠性。因此，如果能找到性能比較好的FRD，不建議采用兩種不同頻率器件混合使用，會影響總體性能和可靠性。

（2）布局優化與低感設計

通過布局優化與低感設計，可以降低高頻應用條件下EMI的影響，改善芯片均流，降低開關過程的電壓過沖，提高功率密度。

（3）絕緣結構

IGBT主要通過陶瓷襯板，來實現陰性和陽性的絕緣，目前使用的襯板包括AlN陶瓷襯板、Al2O3陶瓷襯板、Si3N4陶瓷襯板。出于對成本控制，多數車規級IGBT都使用Al2O3陶瓷襯板進行封裝。但Al2O3與硅、銅熱膨脹系數相差較大，在使用過程中會此引起材料的疲勞與焊接層的退化，從而影響整個模塊的使用壽命。

（4）優化封裝材料體系

IGBT電性能的改善已經遇到瓶頸，可以通過改善熱設計來進一步提高IGBT的性能與可靠性，優化封裝材料體系，減少封裝互連界面，將熱膨脹系數的失配盡可能降低，做成一體化集成襯板，改善IGBT模塊的特性。

（5）高效散熱技術

在基板也有技術措施來改善車規級IGBT的性能：使用帶有Pin-fin結構的直接液冷散熱，雙面水冷散熱技術，可降低20%-30%的熱阻。

（6）模塊封裝可靠性設計

IGBT使用過程當中可靠性的最大問題是焊接層，長期運行會引起材料退化，從而引起熱阻和導通壓降升高。針對這一問題，目前已有新的解決方案：通過低溫燒銀結技術，達到超高的熔點、優良的熱導率，從而獲得較好的熱循環和功率循環能力。

銅工藝技術也能提高可靠性。高鐵模塊使用銅金屬化+銅線縫合；汽車模塊使用銅箔燒結+銅線鍵合。通過此種銅工藝技術可以將功率循環能力提高10倍。

另一個可提高可靠性的方法是雙面焊接技術。目前所有模塊的封裝，都是基于單面散熱這種模式實現的，而雙面焊接則使芯片直接與對襯板相連，取消引線互連，可提升50%的功率循環能力。

功率端子是IGBT通過最大電流、產生最大熱量的地方，端子連接質量直接影響IGBT模塊應用可靠性，也是IGBT主要的失效模式之一，在所有導致IGBT失效的影響因素中占比較高。傳統工藝是通過焊片來實現端子跟襯板的互連，新的技術主要通過金屬段子超聲焊接的方式，可以顯著降低接觸熱阻，改善散熱能力，增加電流承載能力，提高車載環境中機械震動和沖擊的抵抗能力。

（7）封裝模式

目前車規級IGBT主要有三種封裝模式：標準封裝模式——Type 1、針翅型封裝——Type2、平面封裝——Type3。

中車汽車級IGBT模塊包括S1模塊、S2模塊、S3模塊和L1模塊，分別對標英飛凌的HP2、DC6和HPDrive，包括全部參數與性能及外部接口尺寸，雙面散熱的模塊英飛凌還沒有大規模推廣。L1是一種平面封裝模塊，實現雙面散熱，目前正在做樣品驗證。

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車規級功率器件技術發展趨勢

未來，電機控制器將進一步小型化、輕量化，要求高功率與高效率、芯片損耗更低、電流密度更大、頻率與工作溫度更高。同時，要求模塊散熱更好、焊接層與焊點更牢固，長期可靠性更高。

目前主流技術解決方案包括：通過精細化技術，做到溝槽精細化，以此達到更高的電流密度；將IGBT跟FRD通過單片集成的方式結合，進一步提高電流密度；通過超結等技術進一步降低IGBT的損耗。

提高模塊可靠性可從以下幾方面入手：全銅模塊、高溫封裝和功能集成。

1.芯片技術迭代示意

目前，滿足汽車需求的IGBT產品已用灰色區域標注（見下圖），包括英飛凌的IGBT3、IGBT4、EDT2，日系（富士電機、三菱電機）包括IGBT5、IGB6、IGB7，中車包括第5代TMOS、6代RTMOS和7代RCMOS。英飛凌的IGBT4與中車第5代TMOS對應，EDT2跟中車的第6代RTMOS對應。

2.精細化技術

為了實現更高功率密度，一方面希望芯片厚度越來越薄。另一方面，通過精細化的技術，讓IGBT元胞變得越來越小，單位面積的芯片有效面積可以容納更多的元胞，增強正面載流子注入，減小壓降與寄生電容。

中車開發的第6代IGBT，采用了自主研發的RET (Recessed-Emitter-Trench)技術，可以通過RET實現1.2um - 0.5um的Mesa結構，已經達成2750A/cm2目標，與英飛凌EDT2相當，正在努力實現電流密度達到300A/cm2或更高。此外，采用質子注入和激光退火等技術實現超薄片工藝，優化P發射極-n緩沖層設計，提升耐壓和短路安全工作區。此外，基于RET引入RDT，可以在維持Vce較低水平的同時降低Eon和Eoff，進一步改善特性。

另一個精細化技術是基于RET第7代IGBT的逆導型，擁有更高的功率密度和良好的功率循環能力，溫度更加均勻，且由于IGBT和FDR交錯的工作模式，能夠更加有效利用芯片面積。

3.超結技術

超結IGBT技術。目前超結技術有兩個方向：一是邊緣終端的超結技術，實現臺面尺寸更小，有效面積更大；二是通過垂直超結技術，這樣可以把芯片做得更薄，損耗更低，電流能力會更大。

4.高結溫終端技術

溫度提高對功率容量提升作用很大，但前提是IGBT芯片能夠承受高溫，所以高溫終端技術就成為了核心。當前技術可以讓高鐵IGBT在150度的環境下正常運行，汽車IGBT已經可以在175度的環境下正常運行。

未來，高鐵IGBT的抗高溫能力將做到175度或更高，汽車IGBT的抗高溫能力將做到200度或更高。可以說，高結溫對整個芯片的設計和材料體系都將是一個很大的挑戰。

5.碳化硅芯片

碳化硅（SiC）因為禁帶寬、導熱和絕緣能力強，非常適合作為功率半導體的材料，它比硅（Si）基器件更容易實現低損耗、高開關頻率、高結溫，且溫度升高對于開關損耗變化很小，良好的輸出特性更適合于牽引工況。

（1）碳化硅器件的優勢

SiC MOSFET與Si IGBT比較，工作頻率更高、損耗更低，且隨著功率頻度升高，損耗低的優勢將會更加明顯體現。

SiC器件主要有以下應用優勢：低 Rds(on)、可耐受200度工作溫度、10倍的工作頻率、低損耗、散熱要求低、體積小。

（2）碳化硅器件的技術挑戰

目前碳化硅芯片仍面臨很多技術挑戰：一是制造高質量、低缺陷率的襯底和外延層；二是提高MOSFET溝通遷移率和柵氧穩定性；三是溝槽柵SiC技術如何做到低損耗、大電流容量、更高可靠性。

6.先進封裝技術

通過先進封裝技術，降低模塊電感，提高可靠性。目前主要的工作體現在以下幾個方面：

· 直接端子互連技術：實現芯片表面平面鍵合，替代傳統引線鍵合；

· 柔性PCB互連技術：集成功率端子，降低雜散電感，提高功率循環能力；

· 3D封裝技術：AMB技術實現疊層互連，減少封裝材料界面，提升汽車模塊散熱性能；

· 全銅工藝：芯片銅金屬化、銅線互連、銅端子超聲焊接、銅燒結技術；

· SiC高溫封裝：基于高溫封裝材料的低電感、高集成度、多功能、復合SiC模塊封裝技術。

7.功能集成

加強具有集成溫度或電流傳感功能的精細溝槽柵芯片技術，設計更加緊湊的集成水冷流道的散熱結構，集成逆變橋及整流橋功能的多合一功率模組。

關于SiC器件技術，中車從2010年開始SiC器件研發，已經突破SiC器件關鍵技術，建成了一條6英寸SiC芯片生產線，研發了包括SBD和MOSFET ，1200V到1700V到330V都有一些產品在做小批量的試驗，包括全碳化硅的器件，這里是3300V，混合模塊和碳化硅模塊在高鐵和軌道交通實現。

最后，小結一下汽車級IGBT的技術發展趨勢。未來，功率半導體IGBT的芯片將會更小、晶圓更大、厚度更薄，通過成本、功率密度、結溫、可靠性等方面的提升，實現整個芯片技術進步。模塊的未來趨勢是更高的熱導率材料、更厚的覆銅層、良好的集成散熱功能和更高的可靠性。

總結

第一，汽車的未來是電動汽車+綠色能源+智能網聯，這樣才能支撐新能源汽車可持續發展，這里要特別強調一下單憑汽車的電動化而沒有綠色能源的大規模應用，很難實現 預期的降低排放的目標。

第二，基于大功率晶閘管、壓接IGBT、IGCT、高壓SiC器件的電力電子技術，支撐綠色能源的產生、傳輸和用戶電力定制。

第三，高功率密度的IGBT在性能、可靠性等方面會繼續發展，在較長一段時期內會是汽車電動化的主流器件。

第四，SiC、GaN等第三代半導體器件加速成熟，將在新能源汽車獲得廣泛應用，但需要一個過程，對硅基IGBT也不是一個簡單的替代，而是相互補充。

第五，國產器件有能力支撐國內新能源汽車技術、產業的可持續發展。

Q&A

Q：當前，特斯拉的電壓已經超過1000V，而國內充電樁的最高電壓為750V，對于特斯拉的技術方向，您有何什么見解？

A：750V是最大的技術挑戰，其對制造工藝要求非常高。如果實現不了50-60微米的芯片加工能力，就很難做好750V的器件。1200V器件的制造難度比750V要小，所以很多半導體廠家更愿意做1200V的器件。

Q：未來3年，IGBT在國內市場成本逐漸降低，您是否有百分比量化的預測？

A：實際上，汽車IGBT的價格一直在降。最近，由于制造端供應偏緊，因此價格較為平穩。相信未來隨著對低成本的需求和諸多競爭因素等，會讓IGBT的成本價格下降，下降也應該是一個較為平穩的過程。

Q：在汽車領域，碳化硅未來會不會是一種趨勢？有沒有可能替代IGBT？

A：碳化硅特性較好，優勢很明顯。但劣勢也較為明顯，目前主要體現在質量、可靠性與價格等方面，主要包括三方面：第一，碳化硅很難做到單片電流較大；第二，碳化硅器件加工效率低；第三，硅器件有很多結構上的改進，碳化硅本身的優勢比硅要好，目前因為材料與工藝因素很難通過結構優化去實現性能上的大幅度提高，尤其是其摻雜的靈活性、效率與效果很難與硅工藝去競爭。

碳化硅有優勢也有劣勢，總體來說碳化硅是一個發展趨勢，但可能需要一個過程。目前其超過其他器件十倍以上的價格，很難在市場中競爭。