作者：Bodo’s功率系統(tǒng)雜志編輯部
1、最強(qiáng)功率半導(dǎo)體之IGBT及國(guó)內(nèi)領(lǐng)軍者
IGBT是復(fù)合全控型功率半導(dǎo)體，驅(qū)動(dòng)功率小且飽和電壓低，是電力電子裝置的CPU。自問(wèn)世以來(lái)，通過(guò)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(zhǎng)足的進(jìn)步，產(chǎn)品已經(jīng)歷了7代的發(fā)展。通過(guò)采用溝槽柵、場(chǎng)截止（FS）、輕穿通（LPT）、軟穿通（SPT）、載流子存儲(chǔ)（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(lái)全球IGBT行業(yè)發(fā)展向好，市場(chǎng)規(guī)模也隨之逐年遞增。2021年，全球IGBT市場(chǎng)規(guī)模約為70.9億美元，同比增長(zhǎng)6.6%。集邦咨詢（TrendForce）的數(shù)據(jù)也顯示，中國(guó)市場(chǎng)為39.6億美元，占比達(dá)到59%，是全球最大的IGBT市場(chǎng)。
縱觀IGBT領(lǐng)域，幾乎被美國(guó)、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(jì)和制造以及IGBT模塊的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試，對(duì)人才、設(shè)備要求極高，是一個(gè)難以彎道超車的產(chǎn)業(yè)。而我國(guó)在該領(lǐng)域一直面臨“卡脖子”問(wèn)題，雖然IGBT壁壘高，但國(guó)產(chǎn)功率半導(dǎo)體的唯一出路就是自主創(chuàng)新，尋求國(guó)產(chǎn)替代。
作為中國(guó)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(guó)際上主流的其它廠商的第4代芯片。且實(shí)測(cè)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(jiǎn)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(xiàng)性能達(dá)到或超過(guò)了國(guó)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(chǎng)終止型（Fine Pattern Trench- Field Stop）結(jié)構(gòu)，并通過(guò)N型增強(qiáng)層（N- Enhancement layer）、窄臺(tái)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(xiàng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步改善IGBT導(dǎo)通飽和壓降和開(kāi)關(guān)損耗折中性能，同時(shí)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(shí)對(duì)IGBT配套續(xù)流二極管芯片d20也進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)先進(jìn)的發(fā)射極注入效率管理（Advanced Emitter efficiency management）、優(yōu)化陽(yáng)極擴(kuò)散分布（Anode：Diffusion profile optimization）、陰極激光退貨工藝（Cathode：laser annealing）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)較低的導(dǎo)通壓降和反向恢復(fù)損耗折中平衡，同時(shí)通過(guò)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(shí)現(xiàn)d20信號(hào)高di/dt反向恢復(fù)特性且無(wú)振蕩，并優(yōu)化d20終端設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高二極管動(dòng)態(tài)穩(wěn)健性。
2.2、i20和d20開(kāi)關(guān)特性測(cè)試
為了驗(yàn)證i20和d20芯片組開(kāi)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(guó)際領(lǐng)軍企業(yè)同款I(lǐng)GBT4的同平臺(tái)模塊進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，需要說(shuō)明的是IGBT4模塊目前最高結(jié)溫只有150℃。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩個(gè)模塊開(kāi)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?；赿20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(cè)試來(lái)看采用i20和d20芯片組模塊要優(yōu)于國(guó)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(cè)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(cè)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(wú)振蕩，模塊短路持續(xù)時(shí)間可達(dá)15us，為電路實(shí)時(shí)快速保護(hù)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(cè)試i20芯片的RBOSA邊界，以確定破壞極限，賽晶科技對(duì)器件從額定電流的兩倍開(kāi)始，電流逐漸增加。測(cè)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(shí)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(kāi)關(guān)特性。為了評(píng)估二極管的穩(wěn)健性，通過(guò)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(duì)于選定的極端情況：750A的電流和900V的反向電壓，IGBT開(kāi)通電壓21V，進(jìn)行雙脈沖測(cè)試。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在175°C的外殼溫度下，二級(jí)管的峰值功率超過(guò)800kW，di/dt超過(guò)10kA/us，器件依然可以穩(wěn)定。選定的測(cè)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(duì)比仿真
為了在系統(tǒng)應(yīng)用層面驗(yàn)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(duì)比仿真。性能曲線圖反映了逆變器輸出功率（或電流）與開(kāi)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(dòng)態(tài)損耗取自測(cè)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(kāi)關(guān)頻率直到3kHz時(shí)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(guò)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(guó)產(chǎn)自主芯片性能優(yōu)異獲市場(chǎng)青睞，賽晶科技迎來(lái)銷售加速期
以上通過(guò)開(kāi)關(guān)特性測(cè)試，安全工作區(qū)測(cè)試以及逆變器效率對(duì)比仿真等發(fā)現(xiàn)，賽晶科技i20芯片組優(yōu)勢(shì)明顯，并在市場(chǎng)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(jī)。
2021年6月，賽晶科技具備國(guó)際一流水平、智能全自動(dòng)的第一條IGBT模塊生產(chǎn)線竣工并實(shí)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(dòng)汽車、風(fēng)電、光伏及工業(yè)電控領(lǐng)域企業(yè)開(kāi)展測(cè)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(chǎng)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(chǎng)主流新能源汽車廠家的認(rèn)可，開(kāi)始進(jìn)入批量銷售階段。
2022年初，賽晶科技與國(guó)內(nèi)光伏領(lǐng)域知名企業(yè)簽訂涉及數(shù)萬(wàn)只ED封裝IGBT模塊的首個(gè)批量采購(gòu)框架協(xié)議。在國(guó)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(guó)產(chǎn)突破。這也是賽晶科技自主技術(shù)IGBT模塊的首個(gè)批量訂單，是取得客戶認(rèn)可并開(kāi)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(dòng)中，預(yù)計(jì)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(dòng)汽車、新能源發(fā)電、工業(yè)電控等IGBT模塊市場(chǎng)。從中我們可以看出，賽晶科技在IGBT芯片領(lǐng)域正在積極擴(kuò)展自身的優(yōu)勢(shì)，并且還在不斷地前行，勢(shì)在完成國(guó)產(chǎn)化的使命，國(guó)產(chǎn)替代的曙光也在一步步地變得更加明亮。
4、頂級(jí)研發(fā)陣容加持，國(guó)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(tuán)隊(duì)擁有豐富的知識(shí)儲(chǔ)備和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。一直以來(lái)，賽晶科技始終高度重視技術(shù)研發(fā)，致力于成為國(guó)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(jī)和數(shù)十年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(jī)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(zhǎng)和創(chuàng)始人項(xiàng)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(gè)環(huán)節(jié)，還參與了設(shè)計(jì)研發(fā)、項(xiàng)目管理、市場(chǎng)分析等多個(gè)崗位的工作，對(duì)于IGBT研發(fā)生產(chǎn)的整個(gè)環(huán)節(jié)有著深入的了解。
項(xiàng)頡董事長(zhǎng)帶領(lǐng)的IGBT專家團(tuán)隊(duì)也以原ABB半導(dǎo)體技術(shù)團(tuán)隊(duì)為主，團(tuán)隊(duì)成員發(fā)表了眾多技術(shù)論文并擁有幾十項(xiàng)專利，真正具備了國(guó)際頂級(jí)技術(shù)實(shí)力和經(jīng)驗(yàn)。
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(jī)和超過(guò)25年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。Dr Sven Matthias博士，發(fā)表IGBT相關(guān)學(xué)術(shù)論文25篇、擁有6項(xiàng)專利，對(duì)功率半導(dǎo)體設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、工藝制造具有極高的技術(shù)造詣和經(jīng)驗(yàn)豐富。國(guó)內(nèi)方面的負(fù)責(zé)人張強(qiáng)先生，發(fā)表IGBT相關(guān)論文3篇、擁有3項(xiàng)專利，在IGBT工藝制造同樣具有豐富經(jīng)驗(yàn)。
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(guó)際上優(yōu)秀的技術(shù)團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)優(yōu)秀人才組合起來(lái)，每年投入大量的資金專注研發(fā)。憑借項(xiàng)頡董事長(zhǎng)超前的思路和遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)，大家舉力攜手共同開(kāi)創(chuàng)了賽晶科技一個(gè)又一個(gè)的新突破。正因如此優(yōu)秀與成熟的團(tuán)隊(duì)，也成就了賽晶科技具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的IGBT芯片和模塊產(chǎn)品。
如今的賽晶科技研發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi){借共同超過(guò)一個(gè)世紀(jì)的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，積極致力于用商業(yè)激發(fā)和實(shí)施可持續(xù)解決方案，為實(shí)現(xiàn)未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展而奮斗。
5、蓄勢(shì)待發(fā)，一往直前
電動(dòng)汽車朝著大功率密度、高安全性和低成本的方向前進(jìn)時(shí)，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(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的根本途徑。未來(lái)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(qiáng)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(shí)隨著IGBT芯片技術(shù)的發(fā)展而不斷自我提升，勇往無(wú)前，蓄勢(shì)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(diǎn)及研究進(jìn)展[J]. 機(jī)車電傳動(dòng)，2021，9(5)：12-20．