作者：Bodo’s功率系統(tǒng)雜志編輯部
1、最強功率半導(dǎo)體之IGBT及國內(nèi)領(lǐng)軍者
IGBT是復(fù)合全控型功率半導(dǎo)體，驅(qū)動功率小且飽和電壓低，是電力電子裝置的CPU。自問世以來，通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新，IGBT器件結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)獲得了長足的進(jìn)步，產(chǎn)品已經(jīng)歷了7代的發(fā)展。通過采用溝槽柵、場截止（FS）、輕穿通（LPT）、軟穿通（SPT）、載流子存儲（CS）層、浮空P型區(qū)、虛擬柵、微溝槽柵（MPT）、薄片加工、背面H離子注入等產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，器件的可靠性、應(yīng)用頻率和功率損耗等均有了很大提升【1】。
據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院資料顯示，隨著近年來全球IGBT行業(yè)發(fā)展向好，市場規(guī)模也隨之逐年遞增。2021年，全球IGBT市場規(guī)模約為70.9億美元，同比增長6.6%。集邦咨詢（TrendForce）的數(shù)據(jù)也顯示，中國市場為39.6億美元，占比達(dá)到59%，是全球最大的IGBT市場。
縱觀IGBT領(lǐng)域，幾乎被美國、歐洲及日本等企業(yè)壟斷。其重要原因在于，IGBT芯片的設(shè)計和制造以及IGBT模塊的設(shè)計、制造和測試，對人才、設(shè)備要求極高，是一個難以彎道超車的產(chǎn)業(yè)。而我國在該領(lǐng)域一直面臨“卡脖子”問題，雖然IGBT壁壘高，但國產(chǎn)功率半導(dǎo)體的唯一出路就是自主創(chuàng)新，尋求國產(chǎn)替代。
作為中國本土企業(yè)，賽晶科技以自研IGBT技術(shù)為主要攻克方向，目前生產(chǎn)的是i20芯片組，優(yōu)于國際上主流的其它廠商的第4代芯片。且實測表明，與同行企業(yè)同樣規(guī)格的芯片相比，賽晶科技的芯片功率為250A，性能提高10%以上。
2、賽晶科技自研i20 IGBT核心技術(shù)橫空出世
2.1、i20和d20芯片組簡介
賽晶科技已量產(chǎn)的i20 IGBT芯片和d20 FRD芯片單顆晶圓的電壓/電流為1200V/250A，各項性能達(dá)到或超過了國際領(lǐng)軍企業(yè)的同類產(chǎn)品。i20 IGBT芯片采用精細(xì)溝槽柵-場終止型（Fine Pattern Trench- Field Stop）結(jié)構(gòu)，并通過N型增強層（N- Enhancement layer）、窄臺面（Narrow Mesa）、短溝道(Low Channel)、超薄基底(Ultra-thin base)、優(yōu)化P+（Optimized P+ LAYER）、先進(jìn)3D結(jié)構(gòu)（Advanced 3D structure）等多項優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)一步改善IGBT導(dǎo)通飽和壓降和開關(guān)損耗折中性能，同時大大增加了電流可控性（di/dt controllability）和短路穩(wěn)健性。
為了確保IGBT整體性能得到進(jìn)一步發(fā)揮，賽晶科技同時對IGBT配套續(xù)流二極管芯片d20也進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。通過先進(jìn)的發(fā)射極注入效率管理（Advanced Emitter efficiency management）、優(yōu)化陽極擴散分布（Anode：Diffusion profile optimization）、陰極激光退貨工藝（Cathode：laser annealing）等技術(shù)實現(xiàn)較低的導(dǎo)通壓降和反向恢復(fù)損耗折中平衡，同時通過電子輻照壽命控制技術(shù)（Electron irradiation lifetime control）和薄基底調(diào)節(jié)（thin base thickness tuning）等技術(shù)實現(xiàn)d20信號高di/dt反向恢復(fù)特性且無振蕩，并優(yōu)化d20終端設(shè)計，進(jìn)一步提高二極管動態(tài)穩(wěn)健性。
2.2、i20和d20開關(guān)特性測試
為了驗證i20和d20芯片組開關(guān)特性優(yōu)越性，賽晶科技在已經(jīng)量產(chǎn)的1200V 750A ED系列模塊SISD0750ED120i20上與行業(yè)國際領(lǐng)軍企業(yè)同款I(lǐng)GBT4的同平臺模塊進(jìn)行了對比測試，需要說明的是IGBT4模塊目前最高結(jié)溫只有150℃。通過對比發(fā)現(xiàn)兩個模塊開通損耗基本相當(dāng)，關(guān)斷損耗采用i20芯片組的ED模塊略高，但飽和導(dǎo)通壓降的ED模塊更低。基于d20芯片組ED模塊二極管與IGBT4具有相同的正向壓降，且能夠保持更低的反向恢復(fù)損耗，從測試來看采用i20和d20芯片組模塊要優(yōu)于國際領(lǐng)軍企業(yè)的同類第4代IGBT模塊。
2.3、安全工作區(qū)測試
IGBT短路安全工作區(qū)（SCSOA）
i20芯片組具有出色的短路穩(wěn)健性，下圖圖4為ED模塊在175℃殼溫，800V母線電壓下測試得到的短路波形，短路電流只有額定電流的3倍左右，且短路波形無振蕩，模塊短路持續(xù)時間可達(dá)15us，為電路實時快速保護提供了保障。
SC模式：> 15μs @ VGE=15V，VCE= 800V
IGBT反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）
與IGBT可靠性相關(guān)的另一方面是器件的反向偏置安全工作區(qū)，一般情況下模塊廠商給出的RBSOA邊界是額定電流的兩倍。為了測試i20芯片的RBOSA邊界，以確定破壞極限，賽晶科技對器件從額定電流的兩倍開始，電流逐漸增加。測試發(fā)現(xiàn)i20芯片在大約3倍于標(biāo)稱電流的情況下，器件可以安全關(guān)閉。當(dāng)進(jìn)一步增加電流，器件將達(dá)到飽和狀態(tài)，此時器件依然可以正常關(guān)斷，大幅拓寬了RBSOA工作區(qū)。
增加電流IC=1500A （=2.5倍標(biāo)稱）2000A （>3倍），VDC=800V
二極管安全工作區(qū)（DSOA）
二極管的安全工作區(qū)主要取決于二極管的開關(guān)特性。為了評估二極管的穩(wěn)健性，通過將外部柵極電阻Rgon減小到最小值，然后增加?xùn)艠O電壓Vge，從而提高二極管的換向速度。對于選定的極端情況：750A的電流和900V的反向電壓，IGBT開通電壓21V，進(jìn)行雙脈沖測試。實驗發(fā)現(xiàn)：在175°C的外殼溫度下，二級管的峰值功率超過800kW，di/dt超過10kA/us，器件依然可以穩(wěn)定。選定的測試條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了任何數(shù)據(jù)表建議，進(jìn)一步體現(xiàn)了賽晶科技d20芯片組的高可靠性。
I=750A，VR=900V，VGE_on=21V
2.4、逆變器效率對比仿真
為了在系統(tǒng)應(yīng)用層面驗證i20和d20芯片組的性能，將基于i20芯片組的ED型750A半橋模塊與競爭對手i4-600A和i7-750A兩款模塊分別在整流模式和逆變模式進(jìn)行了對比仿真。性能曲線圖反映了逆變器輸出功率（或電流）與開關(guān)頻率的關(guān)系，仿真熱阻值取自數(shù)據(jù)表，而器件的靜態(tài)和動態(tài)損耗取自測量值。逆變工況下，ED-750A額定模塊在最壞的情況下比最先進(jìn)的i7 740A模塊功耗低3%，當(dāng)開關(guān)頻率直到3kHz時達(dá)到平衡。而與目前應(yīng)用居多的i4-600A模塊相比，ED型模塊能夠提升超過10%的性能。在整流器模式下，賽晶科技ED模塊的性能與最新的i7-750A模塊基本一致，相比i4-600A模塊相比，性能同樣可以提高10%以上。
圖7:在整流與逆變模式下的性能表現(xiàn)
3、國產(chǎn)自主芯片性能優(yōu)異獲市場青睞，賽晶科技迎來銷售加速期
以上通過開關(guān)特性測試，安全工作區(qū)測試以及逆變器效率對比仿真等發(fā)現(xiàn)，賽晶科技i20芯片組優(yōu)勢明顯，并在市場應(yīng)用中，逐漸穩(wěn)住客戶。賽晶科技繼續(xù)大力投入新產(chǎn)品研發(fā)和推廣，取得了令人矚目的成績。
2021年6月，賽晶科技具備國際一流水平、智能全自動的第一條IGBT模塊生產(chǎn)線竣工并實現(xiàn)量產(chǎn)。該生產(chǎn)線制造的ED封裝IGBT模塊系列產(chǎn)品已經(jīng)在數(shù)家電動汽車、風(fēng)電、光伏及工業(yè)電控領(lǐng)域企業(yè)開展測試。
2021年底，賽晶科技自主研發(fā)的IGBT芯片，完成了首次（以晶圓形式）正式向新能源乘用車市場客戶批量交付。這標(biāo)志著使用賽晶i20技術(shù)的IGBT芯片，已經(jīng)獲得市場主流新能源汽車廠家的認(rèn)可，開始進(jìn)入批量銷售階段。
2022年初，賽晶科技與國內(nèi)光伏領(lǐng)域知名企業(yè)簽訂涉及數(shù)萬只ED封裝IGBT模塊的首個批量采購框架協(xié)議。在國外IGBT產(chǎn)品幾乎壟斷的集中式光伏發(fā)電領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了國產(chǎn)突破。這也是賽晶科技自主技術(shù)IGBT模塊的首個批量訂單，是取得客戶認(rèn)可并開始批量銷售和應(yīng)用的里程碑事件。
此外，公司碳化硅產(chǎn)品布局也正在啟動中，預(yù)計今年推出第一代碳化硅模塊。據(jù)悉，賽晶研發(fā)的芯片和模塊技術(shù)將覆蓋電動汽車、新能源發(fā)電、工業(yè)電控等IGBT模塊市場。從中我們可以看出，賽晶科技在IGBT芯片領(lǐng)域正在積極擴展自身的優(yōu)勢，并且還在不斷地前行，勢在完成國產(chǎn)化的使命，國產(chǎn)替代的曙光也在一步步地變得更加明亮。
4、頂級研發(fā)陣容加持，國產(chǎn)IGBT突出重圍
IGBT領(lǐng)域技術(shù)難度大，其技術(shù)壁壘要求研發(fā)團隊擁有豐富的知識儲備和實踐經(jīng)驗。一直以來，賽晶科技始終高度重視技術(shù)研發(fā)，致力于成為國際領(lǐng)先的技術(shù)研發(fā)型企業(yè)。為此，賽晶科技吸納了一大批在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域有著優(yōu)秀業(yè)績和數(shù)十年實踐經(jīng)驗的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者和研發(fā)人員。
ABB半導(dǎo)體是電力電子器件行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，其生產(chǎn)的IGBT等功率半導(dǎo)體器件專門應(yīng)用于機車牽引，工業(yè)及能源傳輸?shù)刃枰呖煽啃缘念I(lǐng)域。賽晶科技董事長和創(chuàng)始人項頡曾于1999年至2001年在瑞士ABB半導(dǎo)體總部工作。在此期間，他不但深入IGBT第一生產(chǎn)線的每個環(huán)節(jié)，還參與了設(shè)計研發(fā)、項目管理、市場分析等多個崗位的工作，對于IGBT研發(fā)生產(chǎn)的整個環(huán)節(jié)有著深入的了解。
項頡董事長帶領(lǐng)的IGBT專家團隊也以原ABB半導(dǎo)體技術(shù)團隊為主，團隊成員發(fā)表了眾多技術(shù)論文并擁有幾十項專利，真正具備了國際頂級技術(shù)實力和經(jīng)驗。
如Roland Villiger先生，他在功率半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域有著優(yōu)異的高管管理業(yè)績和超過25年的行業(yè)經(jīng)驗。Dr Sven Matthias博士，發(fā)表IGBT相關(guān)學(xué)術(shù)論文25篇、擁有6項專利，對功率半導(dǎo)體設(shè)計開發(fā)、工藝制造具有極高的技術(shù)造詣和經(jīng)驗豐富。國內(nèi)方面的負(fù)責(zé)人張強先生，發(fā)表IGBT相關(guān)論文3篇、擁有3項專利，在IGBT工藝制造同樣具有豐富經(jīng)驗。
像這樣的優(yōu)秀人才在賽晶科技不勝枚舉，賽晶科技也善于把國際上優(yōu)秀的技術(shù)團隊與國內(nèi)優(yōu)秀人才組合起來，每年投入大量的資金專注研發(fā)。憑借項頡董事長超前的思路和遠(yuǎn)見卓識，大家舉力攜手共同開創(chuàng)了賽晶科技一個又一個的新突破。正因如此優(yōu)秀與成熟的團隊，也成就了賽晶科技具有市場競爭力的IGBT芯片和模塊產(chǎn)品。
如今的賽晶科技研發(fā)團隊?wèi){借共同超過一個世紀(jì)的行業(yè)經(jīng)驗，積極致力于用商業(yè)激發(fā)和實施可持續(xù)解決方案，為實現(xiàn)未來的可持續(xù)發(fā)展而奮斗。
5、蓄勢待發(fā)，一往直前
電動汽車朝著大功率密度、高安全性和低成本的方向前進(jìn)時，功率器件的電流密度、功率損耗以及可靠性起著關(guān)鍵性作用。元胞、體結(jié)構(gòu)優(yōu)化和智能集成技術(shù)是實現(xiàn)上述目標(biāo)的根本途徑。未來IGBT器件將向著槽柵結(jié)構(gòu)、精細(xì)化圖形、載流子注入
增強調(diào)制、以及薄片化的加工工藝方向繼續(xù)發(fā)展。賽晶科技也將繼續(xù)同時隨著IGBT芯片技術(shù)的發(fā)展而不斷自我提升，勇往無前，蓄勢騰飛。
參考資料：
[1]張金平，肖翔，張波。超結(jié)IGBT的結(jié)構(gòu)特點及研究進(jìn)展[J]. 機車電傳動，2021，9(5)：12-20．