车规级IGBT芯片的分析.pdf

6 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 Research and Design 研究与设计0 引言 IGBT技术已经经历了3代，最早诞生的为穿通型IGBT（PT），但由于其负阻特性以及器件关断速度慢、拖尾长，很难在模块中得到大面积应用，不久后便被非穿通型IGBT所取代（NPT），NPT IGBT受限于击穿电压，所以其最主要问题是芯片厚度太厚，通态压降无法得到更好的优化，直到场截止型IGBT的出现，通过在IGBT漂移区下方形成的场截止层，提高了IGBT的击穿耐压，降低了厚度，IGBT性能得到了大幅度的提升。在此之后，陆续出现了CSTBT、IEGT、MPT等技术都是期望通过改善IGBT的通态压降来进一步增强IGBT的电流密度。车用IGBT是在FS IGBT的基础上发展起来的，其将IGBT的高压、大电流以及易于集成、易于模块等特性表现得淋漓尽致。华虹宏力半导体已经同多家整车及模块企业进行合作、研发车用级IGBT芯片，其所具有的最重要特征为电流密度大、散热性能强、工艺集成度高。本文将重点介绍车用IGBT芯片如何满足IGBT模块的发展需求、所做改变以及发展方向。1 IGBT大电流密度 自IGBT问世以来，始终在追求低通态损耗、高电流密度，发展至车用级后，更是将IGBT电流密度提升至300A/cm2以上。为了追加高电流密度，需要尽可能缩小IGBT器件的元胞尺寸（即Pitch Size），Pitch Size越小，器件的电流密度越大。通过进一步优化实验证明，电流密度的增大更需要缩小Mesa的Size，在结合IEGT、CSTBT、MPT等技术后，可以不断提升IGBT的载流子存储效应，提升空穴载流子注入效果，1.6m Pitch的IGBT，在将Mesa减小至1.6m的同时，可以将IGBT电流密度提升至320A/cm2。但是Pitch和Mesa的减小，对于IGBT芯片的工艺技术提出了巨大的挑战。（1）首先是Defect数量的剧增，Key layer层的defect数量将直接导致IGBT电特性异常，如果无法及时筛选将对终端产品的应用产生高风险的可靠性问题，因此产品电流密度越高，越需要将Defect数量控制在较好的水平。（2）Mesa减小后，接触孔（CT）至沟槽（Tch）的距离缩小，导致工艺中出现套偏的问题，严重情况下将迫使器件芯片级测试出现失效短路或漏电等现象，如图1，当Pitch缩小至1.6m时，CT至Tch的间距相应缩小至0.15m，对CT层的光刻提出更高的要求。由此可见，对于实现大电流密度，需要更先进的工艺制程、更完善的在线监控手段。对于目前的IGBT Fab具有巨大的挑战。2 IGBT增强散热、高冷却性能 IGBT模块工作的环境温度极高，包括具有IGBT模块在内的电机、引擎等都在汽车同一个车舱内，并且由于汽车在行驶过程中会遭遇各种车况，刹车、加速、爬坡等都将造成IGBT模块温度快速升高，如图2，IGBT在一段时间内，随着速度的变化，IGBT模块温度也剧烈变化，IGBT芯片结温在作者简介：杨继业，上海华虹宏力半导体制造技术有限公司；研究方向：集成电路设计与制造。收稿日期：2023-02-01；修回日期：2023-05-23。摘要：阐述车用IGBT的发展方向，对大电流密度、高效散热性能、高集成度提出解决方案。12英寸IGBT具有强大的成本优势，区熔硅衬底在控制好缺陷问题后，具有更好的特性。关键词：IGBT，大电流密度，高效散热性能，高集成度。中图分类号：TN402，TN432 文章编号：1674-2583(2023)06-0006-02DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.06.003文献引用格式：杨继业，潘嘉，黄璇.车规级IGBT芯片的分析J.集成电路应用,2023,40(06):6-7.车规级IGBT芯片的分析杨继业，潘嘉，黄璇（上海华虹宏力半导体制造技术有限公司，上海 201203）Abstract This paper expounds the development directions of IGBT for auto,and gives solutions,and discusses that 12 inch IGBT has strong cost advantage,and FZ substrate has better mechanical properties after controlling the defects.Index Terms IGBT,high density,high cooling capability,high integration.Analysis on Auto Grade IGBT ChipYANG Jiye,PAN Jia,HUANG Xuan(Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corporation,Shanghai 201203,China.)图1 随着Cell Pitch的缩小，CT层的套偏卡控更加关键 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 7Research and Design 研究与设计一段时间内，也会有明显的跳变，因此，如何控制IGBT芯片温度，如何增强IGBT芯片的散热、冷却性能，成为必须要解决的难点问题。如图3，IGBT模块端已经由最初的铝线键合发展到铜片键合，大幅度提高了IGBT器件的电流密度，但要实现铜片的键合需要有足够坚固的正面金属的支撑。另一方面，双面冷却工艺的诞生，比水冷工艺更好地提高了IGBT模块的降温、冷却能力，如图4，通过在正、反两面的金属化工艺，大幅度降低了车用IGBT模块的工况温度，提升了终端汽车的可靠性、使之更迅速、更安全。为了配合双面键合工艺，IGBT芯片也同时需要实现双面的金属镀层，华虹宏力通过化镀工艺实现了双面金属的镀层。通过化镀工艺，可以实现更厚的金属镀层，且有效降低由厚金属带来的应力问题，同时，表面有金属覆盖，实现了更好的抗氧化能力。该方案已经通过车企的考核，大量应用在车用IGBT芯片上。3 IGBT高工艺集成度 在IGBT发展过程中，早期的IGBT芯片基本都是作为分立器件存在的，但未来IGBT芯片将越来越复杂，集成度将随之提升。目前已经集成的元件包括快速恢复管、电流传感器、温度传感器。众所周知，在IGBT芯片上集成快速回复管后，即逆导型IGBT器件（RC IGBT）如图5，该器件可以减小模块面积，降低功耗，并且在车用IGBT上，可以更好地平衡IGBT和FWD的芯片温度，改善传统分离IGBT和FWD所带来的模块局部温度不均匀的问题，在正常工况下芯片温度分布，面内温度均匀，差异不大，堵转工况下，RC IGBT面内温度仍然均匀，但IGBT+FWD的模块温度差异巨大。其次，如图6，对于车用IGBT模块来说，由于NTC热流路径上的热容远大于功率芯片，导致其温度变化明显延迟于功率芯片，因此，很难实现车用IGBT芯片温度的实时监控。通过在芯片上集成一只二极管，实现温度实时监控的功能，温度传感器可以利用VF随温度变化的特性，对IGBT芯片实现实时的监控能力，准确的监控，减低散热器的设计余量，实现成本和模块面积的双降低。同样，在IGBT芯片上集成一只更小的IGBT芯片，实现对IGBT芯片的实时电流监控，在应用中实现过流保护的功能，分别为两只传感器测试数据，左侧为温度传感器，右侧为电流传感器，分别实现对于温度和电流的实时监控。相信在不久的将来，将有更多的分立单元集成到IGBT芯片上，或者同IGBT芯片集成，实现IC的功能。4 未来机遇首先是12英寸IGBT的发展。12英寸IGBT是各大功率器件厂商追求的一个方向，其Gross die数量提升了2.25倍，更好的洁净度以及设备生产能力，使得12英寸IGBT发展前景看好，如能实现12英寸车用IGBT生产，将非常有利于IGBT产品成本和可靠性。Yole预测，未来将出现越来越多的12英寸功率器件产品。在12英寸IGBT产品上，华虹宏力已经提前布局，对比8英寸产品有2.25倍Gross die增加，使其在成本上具有更大的优势。目前已经有部分工业级产品产出，整体良率接近99%。5 结语IGBT经历了数代发展后，基于FS IGBT结构，正在向更高电流密度、更佳冷却能力、更高集成度方向发展，华虹宏力已经布局12英寸IGBT生产线，在不久的将来将实现12英寸车用IGBT的生产，更好地服务于国内各大模块封装厂、整车企业。参考文献1 Alice Pei-Shan Hsieh,Gianluca Camuso,Florin Udrea,Chiu Ng,Yi Tang,Rajeev Krishna Vytla,Niraj Ranjan,Alain Charles.Super junction IGBT vs.FS IGBT for OperationC.Proceeding of ISPSD,2015:137-140.图2 车用IGBT芯片的运行工况图3 模块键合技术发展图4 双面冷却工艺图5 RC IGBT图6 NTC实现IGBT芯片温度监控