近日，國務院國資委向全社會發(fā)布《中央企業(yè)科技創(chuàng)新成果推薦目錄(2020年版)》，包括核心電子元器件、關鍵零部件、分析測試儀器和高端裝備等共計8個領域、178項科技創(chuàng)新成果。全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司(以下簡稱聯(lián)研院)研制的3300伏特(V)絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)芯片和模塊赫然在列。歷時4年，聯(lián)研院攻關團隊突破了制約國內(nèi)高壓IGBT發(fā)展堅固性差、可靠性低等技術(shù)瓶頸，打破了國外技術(shù)壟斷。
日前，該團隊牽頭承擔的國家重點研發(fā)計劃項目“柔性直流輸電裝備壓接型定制化超大功率IGBT關鍵技術(shù)及應用”通過了工業(yè)和信息化部組織開展的綜合績效評價。項目自主研制出滿足柔性直流輸電裝備需求的4500V/3000A低通態(tài)壓降和3300V/3000A高關斷能力IGBT器件，解決了高壓大容量壓接型IGBT芯片和器件缺乏的問題。
涉及多個環(huán)節(jié)，需多行業(yè)聯(lián)合攻關
高壓IGBT芯片和器件的開發(fā)周期長，涉及到材料、芯片設計、芯片工藝、器件封裝與測試各個環(huán)節(jié)，需要多學科交叉融合、多行業(yè)協(xié)同開發(fā)。
“當前，研發(fā)面向電力系統(tǒng)應用的高壓IGBT器件的技術(shù)瓶頸主要有4個方面，一是高壓芯片用高電阻率襯底材料制備技術(shù)，大尺寸晶圓的摻雜均勻性和穩(wěn)定性難以滿足高壓IGBT和FRD芯片開發(fā)需求;二是高壓芯片關鍵工藝能力不足，提升芯片性能的高端工藝加工能力欠缺，無法滿足電力系統(tǒng)用高壓IGBT芯片的加工需求;三是封裝設計體系和工藝能力難以滿足高壓器件封裝需求，尤其是壓接型器件封裝，在封裝絕緣體系、多芯片并聯(lián)均流和壓力均衡控制方面研究不足;四是高壓IGBT器件的整體可靠性和堅固性與國外先進水平相比存在差距，未經(jīng)電力系統(tǒng)裝備和工程長期應用的考核驗證。”聯(lián)研院功率半導體研究所所長吳軍民在接受科技日報記者采訪時表示。
IGBT芯片尺寸小、微觀結(jié)構(gòu)復雜，影響芯片性能的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)眾多，同時IGBT芯片通態(tài)壓降、關斷損耗和過電流關斷能力相互制約，三者之間的綜合優(yōu)化是攻關過程中最難突破的技術(shù)。
將推廣到海上柔性直流輸電等領域
“面對技術(shù)難題，聯(lián)研院研究團隊成立了青年突擊隊，采用理論分析、仿真設計和試驗驗證相結(jié)合的方式，優(yōu)化IGBT芯片正面元胞結(jié)構(gòu)和背面緩沖層結(jié)構(gòu)設計，開發(fā)載流子增強層、背面緩沖層和超厚聚酰亞胺鈍化等關鍵工藝，最終研制出面向電力系統(tǒng)應用的高關斷能力IGBT芯片，實現(xiàn)了IGBT芯片的通態(tài)壓降、關斷損耗和過電流關斷能力的綜合優(yōu)化，整體性能達到國際先進水平。”吳軍民說。
項目負責人、聯(lián)研院功率半導體研究所副所長金銳告訴科技日報記者，在芯片技術(shù)方面，團隊攻克了背面激光退火均勻性控制的技術(shù)難題;掌握了背面緩沖層摻雜對芯片特性的影響規(guī)律，提出三維局域載流子壽命控制方法，與國際同類產(chǎn)品相比，芯片整體性能達到國際先進水平。
“在壓接型封裝技術(shù)方面，基于多個碟簧組件串聯(lián)的零部件公差補償技術(shù)，團隊提出了適用于IGBT芯片并聯(lián)的彈性壓接封裝結(jié)構(gòu)，突破了IGBT芯片大規(guī)模并聯(lián)的壓力均衡調(diào)控技術(shù)，實現(xiàn)了上百顆芯片并聯(lián)壓接封裝;結(jié)合封裝工藝特點與絕緣材料特征，獲得了封裝絕緣間隙、封裝絕緣材料參數(shù)及封裝工藝參數(shù)對器件絕緣水平的影響規(guī)律，提出了針對壓接封裝結(jié)構(gòu)的封裝絕緣方案，掌握了分布注膠、周期性脫氣的灌封工藝;掌握了晶圓級、芯片級、子單元級、器件級共四個層級的高壓無損測試篩選方法，自主開發(fā)了子單元與器件的檢測與篩選裝備，支持壓接封裝器件開發(fā)。”金銳說。
金銳表示，未來，自主研制的高壓IGBT芯片和模塊，將推廣應用到海上柔性直流輸電、統(tǒng)一潮流控制器等領域，支撐“雙高”電力系統(tǒng)建設，助力“碳達峰碳中和”目標的實現(xiàn)。
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