中国科协优秀科技论文｜高压大电流（4500V/600A）IGBT芯片研制

中国电工技术学会活动专区

CES Conference

中国科协

第六届优秀科技论文遴选计划

—获奖论文简报—

《电工技术学报》三篇论文成功入选中国科协第六届优秀科技论文遴选计划。现将获奖论文的文章简报分享给各位读者，以期促进本领域的技术交流。

2021年11月8日，中国科协公布第六届优秀科技论文遴选计划入选论文。发表于《电工技术学报》2021年第4期的文章《高压大电流（4500V/600A）IGBT芯片研制》成功入选。论文第一作者及通讯作者为新型功率半导体器件国家重点实验室的刘国友高工。

能源与交通领域功率半导体技术创新

绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为能量处理与控制的“CPU”，耐受电压高、电流容量大、驱动功率小、开关速度快、使用方便灵活，已成为电力电子装置的主流开关器件。随着高铁、轨道交通、新能源与电力系统应用技术的发展，对IGBT的功率容量与可靠性提出了越来越高的要求。

基于新型功率半导体器件国家重点实验室，中车IGBT技术研发与产业化创新团队，面向能源与交通领域重大需求，始终瞄准国际先进技术，在IGBT基础理论研究、核心关键技术突破和产业化技术集成等方面大胆创新。

十年磨一剑，突破了IGBT关键核心技术，创建了具有完全自主知识产权的IGBT芯片设计、晶圆制造和模块封装完整技术体系，破解了高铁、特高压柔性直流输电和新能源汽车领域功率半导体“卡脖子”技术瓶颈，实现了IGBT技术从无到有、由弱到强的重大跨越。

十年来，自主设计并建成了全球第一条8英寸高压IGBT芯片生产线，引领IGBT芯片制造技术进步；设计开发了3300V和6500V高功率密度IGBT芯片并实现产业化，满足了高铁与轨道交通产业的健康发展；研制了超大容

量3600A/4500V压接IGBT模块，支撑了柔直技术发展与直流电网工程需要；适应新能源汽车产业发展需要，研究开发750V和1200V精细沟槽IGBT芯片，达到国际先进水平；聚焦基础研究与前沿探索，研究开发新一代功率半导体技术，支撑智能电网与轨道交通应用需要。

1高压大电流（4500V/600A）IGBT芯片

“

高压大电流（4500V/600A）IGBT芯片研制，刘国友，黄建伟，覃荣震，朱春林. 电工技术学报，2021年第4期。

“双碳”背景下，随着新能源大规模开发利用、大容量特高压交直流输电技术发展，电力系统电力电子柔性化步伐明显加快，亟待开发一种电网应用场景下能满足高压串联、大电流容量、可靠性高的功率开关器件。

大容量压接型IGBT

柔直换流阀

高压柔性直流输电

压接型IGBT作为一种面向更大容量、串联应用的新型封装形式，面临数十个芯片并联压接后机－电－热耦合条件下的均流难题，电流容量越大、并联芯片越多，并联芯片之间因压力不均衡而引起的电流不均匀分布越突出。

中车研究人员详细分析了并联元胞本身的鲁棒性设计和更大尺寸、更大规模元胞集成时的开关同步机制，在2021年第4期《电工技术学报》上撰文提出了一种新的技术解决方案。通过提高单芯片电流容量，减少芯片并联、简化封装结构，把宏观层面的IGBT芯片均流转换成微观层面元胞间的开关同步，来解决IGBT压接封装过程中的芯片均流与可靠性问题。

大尺寸IGBT芯片及其内部并联元胞之间的开关同步与均流，对芯片本身的设计与制造带来巨大挑战，主要体现在芯片内部元胞本身的鲁棒性、元胞间的开关同步和大尺寸芯片焊接应力控制等方面。如果处理不当，芯片内部元胞不均流和封装过程中因热膨胀系数失配而带来的焊接应力都会对芯片造成损伤。影响芯片大尺寸化的另一个因素是IGBT芯片制造能力，包括光刻机曝光面积、工艺稳定性与良率水平。

U形元胞

元胞栅电阻和低时延栅极互连结构

42mm×42mm芯片

基于U形元胞及其载流子存储层、多重缓冲层结合横向变掺杂集电极等新颖设计，攻克了正背两面载流子注入的协同控制技术，高压IGBT通态损耗、关断能力与短路电流耐量得以同步优化，元胞开关鲁棒性更强；独创元胞栅电阻及低阻硅化钛低时延栅极互连设计创新，突破了元胞之间的开关同步和电流均衡难题；依托先进8英寸IGBT芯片制造成套工艺、发明光刻拼版与多重曝光技术，首次实现了42mm×42mm大尺寸4500V/600A芯片制造，展示出优越的综合性能和强鲁棒性，探索出一整套大尺寸IGBT芯片设计、制造技术。

该成果展示了42mm×42mm大尺寸芯片实现常规设计10倍以上、近50万个高压IGBT元胞的集成，较好地解决了大规模集成元胞之间的开关同步与均流问题，且具备进一步提高元胞集成度、芯片电流容量的能力，为IGBT芯片并联均流问题和更大容量压接型IGBT模块研发提供了全新的技术解决方案，6个芯片并联压接就可以实现3600A电流容量，为超大容量IGBT压接封装指明了一条全新的技术道路。

2基于全铜工艺的大容量高性能750A/6500V IGBT模块

“

基于全铜工艺的750A/6500V高性能IGBT模块，刘国友，罗海辉，张鸿鑫，王彦刚，潘昭海. 电工技术学报，2020年第21期。

高压大容量IGBT是电气化轨道交通装备中负责电能转换的核心部件，其长期运行可靠性对牵引变流器的安全运行至关重要。目前主流大功率IGBT模块大都是沿用传统铝工艺技术，如芯片表面铝金属化、芯片互连铝引线键合等。基于铝工艺设计开发的自主1500A/3300V、1200A/4500V和750A/6500V等级的高压大容量IGBT模块已经广泛应用在高铁、电力机车和地铁牵引变流器中。

随着轨道交通高速、重载技术的发展和电力电子装置绿色、智能要求的不断提高，对大功率IGBT模块的性能与可靠性提出了越来越高的要求，需要更高的功率密度、更高的工作温度、更高的运行可靠性来满足新一代牵引动力的应用需求。

高压大容量IGBT模块内部异质材料热膨胀系数失配是模块疲劳老化失效的主要机理。铝材料热膨胀系数较高，大功率模块内部因长期处于温度循环和功率循环的冲击而出现焊点开裂、焊层退化现象，影响了模块长期应用的可靠性。  

铜金属比铝具有更优良的导电与导热性能和良好的抗电迁移能力。为了降低模块异质材料间热膨胀系数的差异，提高其功率循环能力与长期运行可靠性，中车研究人员在2020年第21期《电工技术学报》上撰文，提出功率模块采用全铜材料实现电学互连的全新思路。

将铜作为一种新型电极材料替代IGBT正面铝金属电极，可以降低IGBT模块的功率损耗、提高模块功率循环能力，成为高性能IGBT的一种技术发展趋势。由于铜离子在芯片内部是一种有害杂质，以及工艺平台兼容性等问题，阻碍了铜工艺在IGBT等功率器件制造中的应用发展。

功率半导体封装技术的进步很大程度上来源于材料与制造工艺的发展，大功率IGBT模块封装的可靠性，很大程度上取决于芯片之间的引线互连工艺可靠性水平，因为引线材料及其键合点的可靠性直接决定了模块应用过程中的功率循环能力。

要实现铜引线的互连，首先必须确保芯片表面的金属化电极是铜，因此芯片铜金属化是铜引线键合互连的基础。采用铜引线取代传统的铝引线实现键合互连，相同线径的铜引线载流能力可以提高70%，是IGBT技术发展方向，尤其是在轨道交通、电力系统等高端应用领域。

新一代全铜工艺技术主要包含芯片铜金属化、铜引线键合互连和模块铜功率端子超声焊接三部分技术。与封装结构相同的铝工艺模块相比，全铜工艺模块主要有两方面的改进内容：首先是在芯片表面生长厚铜层，不仅有利于降低芯片通态损耗、改善散热，同时还可以缓解铜引线键合过程中的冲击力，提高键合点的可靠性；芯片之间的铜引线键合互连，可以降低模块寄生电阻损耗，减小键合引线自热效应的影响。

芯片铜金属化

铜引线键合

端子超声焊接

全铜工艺模块

论文系统地研究了IGBT芯片铜金属化、铜引线键合与铜母线端子超声焊接等新技术，攻克了单面厚铜金属化过程中的芯片翘曲、铜原子进入芯片有效区引起的性能恶化等技术难题，突破了IGBT功率模块全铜化封装的成套工艺，研发了基于全铜工艺的大容量高性能750A/6500V IGBT模块，首次实现了全铜工艺在高压IGBT模块的系统应用。

与传统铝工艺技术相比，全铜工艺的750A/6500V高性能IGBT模块具有优良的动/静态特性和高可靠性，导通损耗降低了10%，浪涌电流能力提升了20％，而且功率循环寿命提高了16倍，提升了功率模块的运行韧性与应用可靠性。满足了新一代牵引变流器的应用需求，有望推广到柔性直流输电等高端应用领域。

引用本文

刘国友, 黄建伟, 覃荣震, 朱春林. 高压大电流（4 500V/600A）IGBT芯片研制[J]. 电工技术学报, 2021, 36(4): 810-819. Liu Guoyou, Huang Jianwei, Qin Rongzhen, Zhu Chunlin. Development of Large Size IGBT Chip with High Power Capacity of 4 500V/600A. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(4): 810-819.

DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191758

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

推荐阅读

中国电工技术学会

新媒体平台

学会官方微信

电工技术学报

电气技术

学会官方B站

新浪微博

今日头条号

联系我们

《电工技术学报》：010-63256949/6981

邮箱：[e-mail]

---

《电气技术》：010-63256943

邮箱：[e-mail]

---

编务：010-63256994；订阅：010-63256817

广告合作：010-63256867/6838