【机工课堂】电力电子器件制造技术与工艺发展现状

导语

看着一辆辆战车、坦克、通讯设备缓缓驶过天安门，小编无法掩饰内心的激动，一种民族自豪感油然而生，祖国的强大离不开国防建设的发展，而我国国防建设的发展必须以实现信息化和现代化为目标。

电力电子技术在现代化国防中得到越来越广泛的应用，它已成为该领域的核心技术之一。信息化是战斗力的倍增器，这需要电力电子技术的助推来实现。现代国防装备的特种电源、驱动、推进、控制等均涉及电力电子核心技术，快中子堆、磁约束核聚变等前沿科学研究以及激光、航空航天、航母等前沿技术中，先进的超大功率、高性能的电力电子变流器及其控制系统也是必不可少的核心部件和基础。

电力电子是培育和发展七大战略性新兴产业的关键支撑技术和基础，在战略性新兴产业发展中起着关键的作用。

下面，小编就向您介绍电力电子器件制造技术与工艺发展的现状，希望我国科技人员能够突破瓶颈，走向世界前列。

1. 硅器件制造技术的发展

（1）基本工艺技术 传统的电力电子器件常采用扩散工艺来实现掺杂，采用热氧化和物理汽相淀积来进行薄膜生长。在新型电力电子器件（如功率MOSFET, IGBT和GCT）中，由于结深较浅、浓度较低，必须用离子注入工艺来实现掺杂，薄膜制作技术也由原来的真空蒸发转为磁控溅射，同时化学气相淀积（如PECVD和HDCVD等）技术也用于各种薄膜生长。随着芯片线条越来越细，特征尺寸已达到0.35m，晶圆尺寸已达8英寸，光刻技术也逐渐采用集成电路制造中的曝光方法，刻蚀技术也由湿法腐蚀逐渐转向干法刻蚀和干湿法相结合。

（2）少子寿命控制技术 在传统的电力电子器件中，为了协调通态特性和开关特性之间的矛盾关系，常用采用掺金、掺铂及电子辐照等技术来控制少子寿命。在新型电力电子器件中，目前多采用质子辐照或轻离子（H+、He+）辐照及各种复合技术来实现局部的少子寿命控制。

（3）硅直接键合技术 随着新型电力电子器件的性能不断优化，器件结构越来越复杂，制作工艺难度也随之加大。在器件的制造过程中引入硅-硅直接键合（SDB）技术，不仅可以简化制作工艺，减小高温过程带来的不良影响，也可用于复杂的衬底材料（如n-p/p+硅外延片和SOI衬底等）制作。目前，SDB技术已用于制作超高压晶闸管、IGBT及MTO等器件。

（4）工艺集成技术 目前，BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）工艺是功率集成电路的主流工艺技术，它是将Bipolar模拟电路、CMOS 逻辑电路与DMOS高、低压功率器件集成在同一个芯片上的工艺集成技术。SOI是功率集成电路的关键衬底材料。SOI 基BCD工艺正向高压、大功率、高密度方向发展。2006年日本Renesas公司报道了0.25mm的SOI BCD工艺，2009年东芝公司推出了60V 0.13mm的体硅BCD 工艺，应用于高效DC/DC的电源管理和SoC的单片集成。目前，1200V的BCD技术也已在Fairchild完成。

除了硅基和SOI基功率集成技术不断发展外，GaN功率集成在近两年也受到国际关注。GaN智能功率技术将实现传统硅功率器件所不能达到的工作安全性、工作速度及高温承受能力。由于GaN器件可基于硅衬底进行研制，因此，异质集成有可能成为GaN功率器件的研究热点。

2. 碳化硅器件制造工艺

与硅器件制备工艺相比，碳化硅材料与器件的制备工艺难度较大。主要是由于碳化硅在常压下难以熔融，且加热到2400℃左右就会升华，所以不能像硅晶体那样通过籽晶在熔体中的缓慢生长来制备单晶，大多采用升华法让籽晶直接在碳化硅蒸汽中生长。碳化硅电力电子器件制造目前仍主要采用4H-SiC或6H-SiC晶片为衬底，用高阻的外延层作为耐压层。因此，高阻厚外延技术将成为碳化硅外延工艺的研发重点。

碳化硅器件的制造工艺与硅器件有很强的兼容性，但工艺温度一般要比硅器件高得多。碳化硅器件的掺杂工艺主要靠离子注入和材料制备过程中的外延掺杂来实现。常用的p型杂质也是硼（B）和铝（Al），n型杂质则是氮（N）。由于硼原子与碳原子尺寸相当，并且，硼和氮注入引起的损伤很容易用退火的方式消除。所以，硼为常用的p型注入杂质。因铝原子比碳原子大得多，会产生严重的注入损伤，且杂质激活率也较低。因此，铝必须在相当高的衬底温度下进行注入，并在更高的温度下退火。

3. 封装技术的发展

随着电力电子器件向小型轻量化、多功能集成化等方向发展，出现了许多新的封装技术。如分立器件的单片压接式封装、多芯片串联封装、多芯片并联封装以及模块化、组件化等封装形成。

（1）芯片电连接方式 传统的电力电子器件封装时，电连接通常采用焊接方法来实现。由于封装系统中各种材料的热膨胀系数不同，经过多次热循环后，会使硅芯片与焊接层之间产生热机械应力而失效。新型电力电子器件多采用压接式封装，即将芯片与钼片等辅助缓冲片通过压力安装在一起，不仅可以避免因热疲劳而失效，同时使器件拆装更方便。另一方面，由于新型电力电子器件（如GCT、IGBT及IEGT等）的阳极区或集电区掺杂浓度较低、厚度较薄，采用传统的焊接方法根本无法保证其电极的可靠性，故需采用多层金属化膜来实现电连接。通常采用钛/镍/银（Ti/Ni/Ag）或铝/钛/镍/银（Al/Ti/Ni/Ag）等多层金属化电极，可以显著减小金属电极膜与硅片之间的热机械应力。

（2）管芯的封装技术 电力电子器件的封装有多种形式。对于小功率器件，如功率MOSFET与IGBT则采用塑料封装。对于大功率器件，如晶闸管、整流二极管等器件，采用金属和陶瓷（侧面）管壳封装。集成电路封装所用的倒装（FP）技术也可用于分立器件的封装，如FlipFET和DirectFET等，采用倒装方式可以大大降低热阻和寄生电感。除了单片封装外，功率模块是目前功率器件发展的主流封装技术。它是将IGBT或其他主开关器件与二极管按一定的电路连接形成封装在一个管壳内，实现一定的电路功能；也可将IGBT器件及其驱动电路、传感器、保护电路等一起封装在壳内，形成智能功率模块。由于功率模块采用紧凑的互连和低感封装材料，显著减小了电路中的寄生参数，降低电路的开关应力和噪声，提高电路的电磁兼容性和可靠性。

（3）集成化的封装技术 普通晶闸管利用“强迫换向”电路来关断，GTO是利用能提供负门极信号的驱动电路来实现“自关断”，这些附加的电路均会导致电力电子装置体积庞大、重量增加。为了降低器件关断瞬态功耗，并实现无吸收关断，通过驱动电路的改进，开发了MOSFET和GTO的复合器件，如发射极开关晶闸管(ETO)、MOS关断晶闸管(MTO)。同时，为了实现门极“硬驱动”，将GCT或透明阳极GTO晶闸管与驱动电路通过印刷电路板连接在一起，形成集成门极换流晶闸管（IGCT），并与散热器压接成一个不可分割的组件。为了进一步缩小IGCT或ETO等器件的体积，降低驱动电路的分布电感，还可将驱动电路中的MOSFET和电容器置入器件封装体内，形成内部集成换流晶闸管(ICT)或集成化的ETO(IETO)。这种集成化的封装技术对简化电力电子系统设计、降低装置成本及提高系统性能有重要意义。

备注：所有图片均来自网络。

推荐阅读：

《电力半导体器件原理与应用》

长按二维码获取图书信息

《电力半导体新器件及其制造技术》

长按二维码获取图书信息

近期文章回顾：（回复数字获取）

150907：PLC应用设计举例

150906：2万亿的配电网大蛋糕

150905：热解油：最有发展前景的可再生燃料之一

150902：从“1G”到“5G”：蜂窝通信系统简史

150901：海洋强国梦——船舶电力系统的发展任重而道远