IGBT核心技术及人才缺失 工艺技术缺乏

2009-12-17 11:26:56来源: 中国电子报

    新型电力半导体器件的代表,IGBT的产业化在我国还属空白。无论技术、设备还是人才,我国都处于全方位的落后状态。应当认识到,电力半导体器件和集成电路在国民经济发展中地位同样重要,因此,政府应该对IGBT产业予以大力扶持。

    众所周知,电力电子技术可以提高用电效率,改善用电质量,是节省能源的王牌技术。当今以绝缘双极晶体管(IGBT)为代表的新型电力半导体器件是高频电力电子线路和控制系统的核心开关元器件,它的性能参数将直接决定着电力电子系统的效率和可靠性。IGBT已成为新型电力半导体器件的代表性器件,对大功率高频电力电子装置和系统的技术发展起着十分重要的推动作用。

    认识不足导致IGBT受冷落

    IGBT的产业化在我国还属空白。虽然国家在“八五”和“九五”期间分别立项支持了IGBT的研发和产业化,但是由于各种客观原因,这些攻关的成果只是做出了技术样品,而没能把技术样品变为工程产品并且实现产业化生产。

    很长时间以来,在半导体行业中有相当一部分人认为我们国家已掌握了0.15微米、8英寸的集成电路技术,IGBT的0.5微米、6英寸的技术应没有太大难度。事实上它们的差别在于:集成电路的技术难点在于拓扑结构及版图设计,其生产工艺较为规范化和标准化,只要版图设计好了,在一条常规的线宽合适的IC流水线上流片应不会有太大的问题;而IGBT正好相反,其设计技术相对而言不太复杂,但由于其大电流、高电压、高频和高可靠的要求,加工工艺十分特殊和复杂。目前,全国还没有一条较完备的IC工艺线可以从头到尾完成IGBT的生产。另外,对于不同电压等级和频率范围的IGBT,其主要工艺也有较大差异,从而增加了IGBT生产的特殊性和复杂性。

    我国的IGBT器件之所以没能最终实现产业化还有一个重要原因是缺少产业化的技术经验和人才。随着近几年来海归派回国创业,这一状况在某种程度上得到了改善。此外,国内高校和研究机构的兴趣大多转移到SiC和GaN宽禁带半导体器件及电源管理芯片方向,目前国内只有两三家高校及院所还在进行与IGBT器件相关的研发,并且主要限于计算机仿真研究。这就导致了我国在IGBT设计和研发方面的人才奇缺。

    缺少核心产业化技术

    IC的电热学特点是电流小、电压低、对散热没有太高要求,因此,IC的工艺特点是浅结、薄膜和片厚。而IGBT正好相反,其特点是电流大、电压高和频率高,因此对散热的要求非常高,这样,就必然导致IGBT的工艺特点是结深、膜厚和片薄。另外,应用系统对IGBT器件的可靠性要求也很高。

    为了实现大电流,IGBT采用了多原胞并联技术,每个原胞的开通和关断性能要求高度一致,因此,要求IGBT的工艺一致性也很高。而且,为了尽量减少IGBT的并联个数,希望IGBT在有源区面积一定的情况下其电流容量越大越好,即器件的电流密度越高越好。

    为了实现高电压,在IGBT芯片上采用了高压终端技术及钝化技术。终端的面积约占IGBT芯片总面积的20%。另外,有些应用场合还需将几个IGBT进行串联以满足耐压要求,IGBT的串联技术必须考虑动态均压问题,从而对IGBT的工艺和参数控制的一致性要求也较高。

     为了提高器件的工作频率,需要对IGBT漂移区厚度、结构、少子寿命及集电极发射效率进行精确的控制。为了提高散热效率,除了尽可能地降低器件的通态和开关损耗之外,还需要对IGBT芯片进行减薄。另外,IGBT的封装材料和工艺对其散热效率的影响也很明显。

    针对上述IGBT器件的特点,国内缺少此类器件的产业化设计、生产、封装、测试和可靠性试验等一套完整的技术。即使有些部门掌握了部分技术,但也不系统、不完整。而国外公司在IGBT的产业化技术方面对我国还是实行严密的封锁政策。这就严重制约了IGBT器件在我国的产业化发展。

    国内目前的半导体生产线绝大多数是IC产品生产线,少数分立器件的生产线也主要生产常规三极管和肖特基二极管,缺少IGBT所需要的栅极形成、隔离、背面减薄和注入工艺等技术。

    政策应加大扶持力度

    微电子技术是对信号的处理和转换,可以提高人们的工作效率和生活质量;而电力电子是对电能的控制和变换,可以提高用电效率和改善用电质量,也是工业化和信息化融合的关键技术。集成电路和电力半导体器件在国民经济发展中地位同样重要,两者相辅相成。然而,同样重要的技术并没有得到同样的重视,国家在2000年出台了18号文件,重点支持集成电路和软件技术的发展,没有将新型电力半导体器件列入其中。国家十一五重大专项中,新型电力半导体器件又未能进入支持目录。

    针对IGBT产业,必须运用系统工程打造产业化体系。在设计领域,应重点利用海归技术人员所掌握的国际先进技术和国内部分高校和研究所的前期经验;在芯片制造领域,应充分利用国内已有的IC和分立器件生产线,补充必要的生产设备;在封装领域,应重点发展单管大尺寸封装(TO-220以上)、标准功率模块、智能化功率模块和用户定制功率模块;在测试领域,应发展新型器件的动静态特性测试、可靠性试验及失效分析手段;在原材料领域,应重点发展高阻外延单晶、区熔单晶和磁场直拉单晶;在设备领域,应重点发展大面积减薄、微细刻蚀、大束流离子注入等设备;针对应用特性,应重点研究器件和电路接口方面的技术问题,如驱动和保护电路的设计等;针对人才培养,短期可以从国外引进一批有着丰富实践经验的高层次技术人才,长期则需要在国内高校培养新型电力半导体器件的设计和制造人才。

    根据我国IGBT产业化的特点和需要,在产业化的进程中要给予相关政策支持,如政府采购、财政补贴、税收优惠、关税保护、国产化率考核、国产装备的风险补偿、大型节能减排项目示范工程等。不仅要对器件的研发给予重点支持,而且应在系统应用的源头利用政策的杠杆来辅助,才会使国内的器件制造从弱势成长为强势。

    此外,我们还应制定IGBT产业化各环节和全程目标,设置和控制关键点,建立对产业化全程的反馈和优化控制流程。要把我国IGBT产业化与节能减排规划、新能源发展规划、装备制造、电子信息及其他产业调整振兴规划衔接,加强IGBT产业化的配套设施建设。(本文作者赵善麒为江苏宏微科技有限公司总经理,陆剑秋为中国电器工业协会电力电子分会理事长,毕克允为中国半导体行业协会特聘副理事长、中国电子节能技术协会副理事长。)

    相关链接

    IGBT技术及应用

    IGBT是在MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)和双极晶体管基础上发展起来的一种新型复合功率器件,主要用于通信、工业、医疗、家电、照明、交通、新能源、半导体生产设备、航空、航天及国防等诸多领域。

     IGBT既具有MOSFET易于驱动、控制简单、开关频率高的优点,又具有功率晶体管的导通电压低、通态电流大、损耗小的优点。自问世以来,IGBT以其优越的动静态性能,在6500V以下的中大功率高频领域逐渐取代了晶闸管和功率MOSFET器件。目前,尚无任何其他器件可以在短期内代替IGBT器件。

关键字:IGBT  核心技术

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2009/1217/article_1935.html
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