電力系統(tǒng)的這顆國(guó)產(chǎn)“芯”臟，突破了四大技術(shù)瓶頸

　　近日，國(guó)務(wù)院國(guó)資委向全社會(huì)發(fā)布《中央企業(yè)科技創(chuàng)新成果推薦目錄(2020年版)》，包括核心電子元器件、關(guān)鍵零部件、分析測(cè)試儀器和高端裝備等共計(jì)8個(gè)領(lǐng)域、178項(xiàng)科技創(chuàng)新成果。全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司(以下簡(jiǎn)稱聯(lián)研院)研制的3300伏特(V)絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)芯片和模塊赫然在列。歷時(shí)4年，聯(lián)研院攻關(guān)團(tuán)隊(duì)突破了制約國(guó)內(nèi)高壓IGBT發(fā)展堅(jiān)固性差、可靠性低等技術(shù)瓶頸，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷。

　　日前，該團(tuán)隊(duì)牽頭承擔(dān)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“柔性直流輸電裝備壓接型定制化超大功率IGBT關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”通過了工業(yè)和信息化部組織開展的綜合績(jī)效評(píng)價(jià)。項(xiàng)目自主研制出滿足柔性直流輸電裝備需求的4500V/3000A低通態(tài)壓降和3300V/3000A高關(guān)斷能力IGBT器件，解決了高壓大容量壓接型IGBT芯片和器件缺乏的問題。

　　涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，需多行業(yè)聯(lián)合攻關(guān)

　　高壓IGBT芯片和器件的開發(fā)周期長(zhǎng)，涉及到材料、芯片設(shè)計(jì)、芯片工藝、器件封裝與測(cè)試各個(gè)環(huán)節(jié)，需要多學(xué)科交叉融合、多行業(yè)協(xié)同開發(fā)。

　　“當(dāng)前，研發(fā)面向電力系統(tǒng)應(yīng)用的高壓IGBT器件的技術(shù)瓶頸主要有4個(gè)方面，一是高壓芯片用高電阻率襯底材料制備技術(shù)，大尺寸晶圓的摻雜均勻性和穩(wěn)定性難以滿足高壓IGBT和FRD芯片開發(fā)需求;二是高壓芯片關(guān)鍵工藝能力不足，提升芯片性能的高端工藝加工能力欠缺，無法滿足電力系統(tǒng)用高壓IGBT芯片的加工需求;三是封裝設(shè)計(jì)體系和工藝能力難以滿足高壓器件封裝需求，尤其是壓接型器件封裝，在封裝絕緣體系、多芯片并聯(lián)均流和壓力均衡控制方面研究不足;四是高壓IGBT器件的整體可靠性和堅(jiān)固性與國(guó)外先進(jìn)水平相比存在差距，未經(jīng)電力系統(tǒng)裝備和工程長(zhǎng)期應(yīng)用的考核驗(yàn)證。”聯(lián)研院功率半導(dǎo)體研究所所長(zhǎng)吳軍民在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示。

　　IGBT芯片尺寸小、微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響芯片性能的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)眾多，同時(shí)IGBT芯片通態(tài)壓降、關(guān)斷損耗和過電流關(guān)斷能力相互制約，三者之間的綜合優(yōu)化是攻關(guān)過程中最難突破的技術(shù)。

　　將推廣到海上柔性直流輸電等領(lǐng)域

　　“面對(duì)技術(shù)難題，聯(lián)研院研究團(tuán)隊(duì)成立了青年突擊隊(duì)，采用理論分析、仿真設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，優(yōu)化IGBT芯片正面元胞結(jié)構(gòu)和背面緩沖層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開發(fā)載流子增強(qiáng)層、背面緩沖層和超厚聚酰亞胺鈍化等關(guān)鍵工藝，最終研制出面向電力系統(tǒng)應(yīng)用的高關(guān)斷能力IGBT芯片，實(shí)現(xiàn)了IGBT芯片的通態(tài)壓降、關(guān)斷損耗和過電流關(guān)斷能力的綜合優(yōu)化，整體性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。”吳軍民說。

　　項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、聯(lián)研院功率半導(dǎo)體研究所副所長(zhǎng)金銳告訴科技日?qǐng)?bào)記者，在芯片技術(shù)方面，團(tuán)隊(duì)攻克了背面激光退火均勻性控制的技術(shù)難題;掌握了背面緩沖層摻雜對(duì)芯片特性的影響規(guī)律，提出三維局域載流子壽命控制方法，與國(guó)際同類產(chǎn)品相比，芯片整體性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

　　“在壓接型封裝技術(shù)方面，基于多個(gè)碟簧組件串聯(lián)的零部件公差補(bǔ)償技術(shù)，團(tuán)隊(duì)提出了適用于IGBT芯片并聯(lián)的彈性壓接封裝結(jié)構(gòu)，突破了IGBT芯片大規(guī)模并聯(lián)的壓力均衡調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了上百顆芯片并聯(lián)壓接封裝;結(jié)合封裝工藝特點(diǎn)與絕緣材料特征，獲得了封裝絕緣間隙、封裝絕緣材料參數(shù)及封裝工藝參數(shù)對(duì)器件絕緣水平的影響規(guī)律，提出了針對(duì)壓接封裝結(jié)構(gòu)的封裝絕緣方案，掌握了分布注膠、周期性脫氣的灌封工藝;掌握了晶圓級(jí)、芯片級(jí)、子單元級(jí)、器件級(jí)共四個(gè)層級(jí)的高壓無損測(cè)試篩選方法，自主開發(fā)了子單元與器件的檢測(cè)與篩選裝備，支持壓接封裝器件開發(fā)。”金銳說。

　　金銳表示，未來，自主研制的高壓IGBT芯片和模塊，將推廣應(yīng)用到海上柔性直流輸電、統(tǒng)一潮流控制器等領(lǐng)域，支撐“雙高”電力系統(tǒng)建設(shè)，助力“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。