IGBT芯片及模块的发展

1.引 言全球能源危机及气候变暖的威胁使人们在追求经济发展的同时越来越重视绿色环保，节能减排。电力电子是节能减排的王牌技术，从电能产生、电能传 输、电能使用到电能管理，渗透到工业、交通、通信、能源等各个领域，发挥着举足轻重的作用。电力电子器件是电力电子装置和系统的“绿色的芯”。目前我国新型的电力电子器件主要代表是 IGBT、VDMOS 和 FRED 等高频器件，而新材料的电力电子器件的主要代表是 SiC 及 GaN 器件。本文重点针对 IGBT 发展历史、现状、新结构、新材料及其新封装技术做一 些阐述。是节能减排的王牌器件作为新型高频大功率电力半导体器件代表的 IGBT 自 1982 年问世以来，在国民经济的各行各业得到的广泛的应用：如工业领域中的电机变频调速、逆变焊机、各种开关电源等;家用电器中的变频空调、洗衣机和电 冰箱等;交通领域的动车、轻轨和地铁等;新能源领域中的光伏逆变、风能变流和电动汽车等;还包括医学、智能电网、航天航空及军事领域。仅以汽车引擎系统、 电机的调速驱动和节能灯电子镇流器为例，在过去的 20 年时间内，由于在这些电力电子装备中采用了 IGBT 器件，如表 1 所示，为美国用户累计节省了万 亿美元，减少了 35万亿磅的二氧化碳排放;如表 2 所示，为全球客户累计节省了万亿美元和减少了78 万亿磅的二氧化碳排放[1]。可见，IGBT 器 件对节能减排做出的巨大贡献，对世界经济的可持续发展的产生了巨大而深远的影响。3. IGBT 的发展历史及国内外现状 IGBT 的发展历史IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)即绝缘栅双极晶体管，是一种复合了 BJT 优点的功率 MOS 型器件，它既具有功率 MOSFET 的高速开关和电压驱动特性，又兼具有双 极型晶体管的低饱和压降特性及承载较大电流能力的特点，且具有高耐压能力。由于其优良的综合性能，自问世以来，引起了世界许多半导体厂家和研究者的重视， 国际上各大半导体公司都投入巨资开发 IGBT 器件。自IGBT 研制成功以来，随着工艺技术不断改进和提高，电性能参数和可靠性日趋完善。以英飞凌公司 IGBT 为例，回顾 IGBT 芯片发展轨迹，如图 1 所示。最早出现的是平面栅穿通(PT)型 IGBT，这时期的 IGBT 电压还比较低(600-1200V 左右)，基区厚度通常在几十微米到一百多微米，采用的是N 型厚外延层。需要采用重金属掺杂和电子辐照少数载流子寿命控制技术，以提高器件的开关速度;具有负温度系数，因此不利于器件的...