文章來源：科技日報 發布時間：2021-07-15
近日，國務院國資委向全社會發布《中央企業科技創新成果推薦目錄（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項科技創新成果。全球能源互聯網研究院有限公司（以下簡稱聯研院）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，聯研院攻關團隊突破了制約國內高壓IGBT發展堅固性差、可靠性低等技術瓶頸，打破了國外技術壟斷。
日前，該團隊牽頭承擔的國家重點研發計劃項目“柔性直流輸電裝備壓接型定制化超大功率IGBT關鍵技術及應用”通過了工業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。
涉及多個環節，需多行業聯合攻關
高壓IGBT芯片和器件的開發周期長，涉及到材料、芯片設計、芯片工藝、器件封裝與測試各個環節，需要多學科交叉融合、多行業協同開發。
“當前，研發面向電力系統應用的高壓IGBT器件的技術瓶頸主要有4個方面，一是高壓芯片用高電阻率襯底材料制備技術，大尺寸晶圓的摻雜均勻性和穩定性難以滿足高壓IGBT和FRD芯片開發需求；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，未經電力系統裝備和工程長期應用的考核驗證。”聯研院功率半導體研究所所長吳軍民在接受科技日報采訪時表示。
IGBT芯片尺寸小、微觀結構復雜，影響芯片性能的結構和工藝參數眾多，同時IGBT芯片通態壓降、關斷損耗和過電流關斷能力相互制約，三者之間的綜合優化是攻關過程中最難突破的技術。
將推廣到海上柔性直流輸電等領域
“面對技術難題，聯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合的方式，優化IGBT芯片正面元胞結構和背面緩沖層結構設計，開發載流子增強層、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應用的高關斷能力IGBT芯片，實現了IGBT芯片的通態壓降、關斷損耗和過電流關斷能力的綜合優化，整體性能達到國際先進水平。”吳軍民說。
項目負責人、聯研院功率半導體研究所副所長金銳介紹，在芯片技術方面，團隊攻克了背面激光退火均勻性控制的技術難題；掌握了背面緩沖層摻雜對芯片特性的影響規律，提出三維局域載流子壽命控制方法，與國際同類產品相比，芯片整體性能達到國際先進水平。
“在壓接型封裝技術方面，基于多個碟簧組件串聯的零部件公差補償技術，團隊提出了適用于IGBT芯片并聯的彈性壓接封裝結構，突破了IGBT芯片大規模并聯的壓力均衡調控技術，實現了上百顆芯片并聯壓接封裝；結合封裝工藝特點與絕緣材料特征，獲得了封裝絕緣間隙、封裝絕緣材料參數及封裝工藝參數對器件絕緣水平的影響規律，提出了針對壓接封裝結構的封裝絕緣方案，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。”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、統一潮流控制器等領域，支撐“雙高”電力系統建設，助力“碳達峰碳中和”目標的實現。
【責任編輯：張思嘉】