導(dǎo)讀：本文分別從IGBT芯片體結(jié)構(gòu)、背面集電極區(qū)結(jié)構(gòu)和正面MOS結(jié)構(gòu)出發(fā)，系統(tǒng)分析了大功率IGBT芯片的技術(shù)現(xiàn)狀與特點，從芯片焊接與電極互連兩方面全面介紹了IGBT模塊封裝技術(shù)，并從新結(jié)構(gòu)、新工藝及新材料技術(shù)三方面分析了IGBT技術(shù)未來的發(fā)展方向。

　　一、背景

　　絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）是在金屬氧化物場效應(yīng)晶體管（MOSFET）和雙極晶體管（Bipolar）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型復(fù)合功率器件，具有MOS輸入、雙極輸出功能。IGBT集Bipolar器件通態(tài)壓降小、載流密度大、耐壓高和功率MOSFET驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點于一身。作為電力電子變換器的器件，為應(yīng)用裝置的高頻化、小型化、高性能和高可靠性奠定了基礎(chǔ)。

　　自IGBT商業(yè)化應(yīng)用以來，作為新型功率半導(dǎo)體器件的主型器件，IGBT在1-100kHz的頻率應(yīng)用范圍內(nèi)占據(jù)重要地位，其電壓范圍為600V-6500V,電流范圍為1A-3600A（140mm x 190mm模塊）。IGBT廣泛應(yīng)用于工業(yè)、4C（通信、計算機、消費電子、汽車電子）、航空航天、國防等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域以及軌道交通、新能源、智能電網(wǎng)、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。采用IGBT進行功率變換，能夠提高用電效率和質(zhì)量，具有高效節(jié)能和綠色環(huán)保的特點，是解決能源短缺問題和降低碳排放的關(guān)鍵支撐技術(shù)，因此被稱為功率變流產(chǎn)品的“CPU”、“綠色經(jīng)濟之核”.在未來很長一段時間內(nèi)，為適應(yīng)降低CO2排放的戰(zhàn)略需要，IGBT必將扮演更為重要的角色，是節(jié)能技術(shù)和低碳經(jīng)濟的重要支點。

　　目前，世界各大功率半導(dǎo)體公司對IGBT的研發(fā)熱潮日益高漲，研究步伐和技術(shù)革新日益加快，IGBT芯片的設(shè)計與生產(chǎn)廠家有英飛凌（Infineon）、 ABB、三菱（Mitsubishi Electric）、Dynex（中國南車，CSR）、IXYS Corporation、International Rectifier、Powerex、Philips、Motorola、Fuji Electric、Hitachi、Toshiba等，主要集中在歐、美、日等國家。因為種種原因，國內(nèi)在IGBT技術(shù)研究開發(fā)方面雖然起步較早，但進展緩慢，特別是在IGBT產(chǎn)業(yè)化方面尚處于起步階段，作為的IGBT應(yīng)用市場，IGBT模塊主要依賴進口。近年來，在國家宏觀政策的引導(dǎo)和組織下，國內(nèi)企業(yè)通過各種途徑在IGBT芯片、模塊等領(lǐng)域已經(jīng)取得很多可喜的進展，中國南車通過并購英國Dynex半導(dǎo)體，充分利用歐洲豐富的技術(shù)資源，成立功率半導(dǎo)體海外研發(fā)中心，迅速掌握了先進的1200V-6500V IGBT芯片設(shè)計、工藝制造及模塊封裝技術(shù)，并且在株洲建設(shè)了一條先進的8英寸IGBT芯片及其封裝生產(chǎn)線，并將于2014年初實現(xiàn)IGBT芯片量產(chǎn)。

　　在模塊封裝技術(shù)方面，國內(nèi)基本掌握了傳統(tǒng)的焊接式封裝技術(shù)，其中中低壓IGBT模塊封裝廠家較多，高壓IGBT模塊封裝主要集中在南車與北車兩家公司。與國外公司相比，技術(shù)上的差距依然存在。國外公司基于傳統(tǒng)封裝技術(shù)相繼研發(fā)出多種先進封裝技術(shù)，能夠大幅提高模塊的功率密度、散熱性能與長期可靠性，并初步實現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用。

　　二、技術(shù)現(xiàn)狀

　　1.IGBT芯片技術(shù)

　　IGBT芯片在結(jié)構(gòu)上是由數(shù)萬個元胞（重復(fù)單元）組成，工藝上采用大規(guī)模集成電路技術(shù)和功率器件技術(shù)制造而成。每個元胞結(jié)構(gòu)可分成體結(jié)構(gòu)、正面MOS結(jié)構(gòu)及背面集電極區(qū)結(jié)構(gòu)三部分。

　　2.IGBT模塊技術(shù)

　　IGBT模塊按封裝工藝可分為焊接式與壓接式兩類。常見的焊接式IGBT封裝主要包括母排電極、鍵合引線、芯片、焊層、襯板和基板幾大部分，各個部分之間的連接技術(shù)則構(gòu)成了IGBT模塊封裝的關(guān)鍵技術(shù)，可分為芯片焊接與固定以及各芯片電極互連與引出兩大方面。為了提高模塊的可靠性，要求各部分材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）相匹配，散熱特性好及連接界面盡量少且連接牢固。

　　三、IGBT發(fā)展趨勢

　　IGBT作為電力電子領(lǐng)域非常理想的開關(guān)器件，各種新結(jié)構(gòu)、新工藝及新材料技術(shù)還在不斷涌現(xiàn)，推動著IGBT芯片技術(shù)的發(fā)展，其功耗不斷降低，工作結(jié)溫不斷升高，從125℃提升到了175℃并向200℃邁進，并可以在芯片上集成體二極管，形成逆導(dǎo)IGBT（RC-IGBT/BIGT），無需再反并聯(lián)續(xù)流二極管，在相同的封裝尺寸下，可將模塊電流提高30%,還可以將電流及溫度傳感器集成到芯片內(nèi)部，實現(xiàn)芯片智能化。通過對IGBT芯片的邊緣結(jié)構(gòu)進行隔離處理，可以形成具有雙向阻斷能力的IGBT（RB-IGBT），在雙向開關(guān)應(yīng)用中無需再串聯(lián)二極管，并具有更小的漏電流及更低的損耗。

　　超結(jié)技術(shù)（super junction）打破了傳統(tǒng)硅器件的導(dǎo)通壓降與耐壓的極限關(guān)系（Ron∝VB2.5），可大大降低器件功耗，已成功應(yīng)用在MOSFET上。將該技術(shù)應(yīng)用在IGBT上，則可以進一步降低功耗，目前已受到廣泛的關(guān)注。超結(jié)IGBT的主要難點是工藝實現(xiàn)，為了降低工藝難度，各種“半超結(jié)”結(jié)構(gòu)被提出，實現(xiàn)性能與工藝的折中。

　　與此同時，IGBT的工藝水平也在不斷提升，許多先進工藝技術(shù)，如離子注入、精細(xì)光刻等被應(yīng)用到IGBT制造上。IGBT芯片制造過程中的特征尺寸已由5um,到3um, 到1um,甚至達到亞微米的水平。采用精細(xì)制造工藝可以大幅提高功率密度，同時可以降低結(jié)深，減小高溫擴散工藝，從而使采用12英寸甚至更大尺寸的硅片來制造IGBT成為可能。隨著薄片與超薄片加工工藝的發(fā)展，英飛凌在8英寸硅片上制造了厚度只有40um的芯片樣品，不久的未來有望實現(xiàn)產(chǎn)品化應(yīng)用。

　　3.IGBT模塊技術(shù)發(fā)展

　　隨著IGBT芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的工作結(jié)溫與功率密度不斷提高， IGBT模塊技術(shù)也要與之相適應(yīng)。未來IGBT模塊技術(shù)還將圍繞芯片背面焊接固定與正面電極互連兩方面不斷改進，有望將無焊接、無引線鍵合及無襯板/基板等先進封裝理念及技術(shù)結(jié)合起來，將芯片的上下表面均通過燒結(jié)或壓接來實現(xiàn)固定及電極互連，同時在模塊內(nèi)部集成更多其他功能元件，如溫度傳感器、電流傳感器及驅(qū)動電路等，不斷提高IGBT模塊的功率密度、集成度及智能度。

　　總之，IGBT芯片目前普遍采用平面柵或者溝槽柵結(jié)構(gòu)，并運用軟穿通體結(jié)構(gòu)與透明集電極區(qū)結(jié)構(gòu)技術(shù)，以及各種增強型技術(shù)，以提高綜合性能和長期可靠性。高壓IGBT模塊技術(shù)還是以標(biāo)準(zhǔn)的焊接式封裝為主，中低壓IGBT模塊產(chǎn)品則出現(xiàn)了很多新技術(shù)，如燒結(jié)取代焊接，壓力接觸取代引線鍵合，無襯板/基板封裝等。未來IGBT將繼續(xù)朝著集成化、智能化、小型化的方向發(fā)展。