電力系統的這顆國產“芯”臟，突破了四大技術瓶頸
近日，國務院國資委向全社會發布《中央企業科技創新成果推薦目錄（2020年版）》，包括核心電子元器件、關鍵零部件、分析測試儀器和高端裝備等共計8個領域、178項科技創新成果。全球能源互聯網研究院有限公司（以下簡稱聯研院）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4年，聯研院攻關團隊突破了制約國內高壓IGBT發展堅固性差、可靠性低等技術瓶頸，打破了國外技術壟斷。
日前，該團隊牽頭承擔的國家重點研發計劃項目“柔性直流輸電裝備壓接型定制化超大功率IGBT關鍵技術及應用”通過了工業和信息化部組織開展的綜合績效評價。項目自主研制出滿足柔性直流輸電裝備需求的4500V/3000A低通態壓降和3300V/3000A高關斷能力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。
涉及多個環節，需多行業聯合攻關
高壓IGBT芯片和器件的開發周期長，涉及到材料、芯片設計、芯片工藝、器件封裝與測試各個環節，需要多學科交叉融合、多行業協同開發。
“當前，研發面向電力系統應用的高壓IGBT器件的技術瓶頸主要有4個方面，一是高壓芯片用高電阻率襯底材料制備技術，大尺寸晶圓的摻雜均勻性和穩定性難以滿足高壓IGBT和FRD芯片開發需求；二是高壓芯片關鍵工藝能力不足，提升芯片性能的高端工藝加工能力欠缺，無法滿足電力系統用高壓IGBT芯片的加工需求；三是封裝設計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固性與國外先進水平相比存在差距，未經電力系統裝備和工程長期應用的考核驗證。”聯研院功率半導體研究所所長吳軍民在接受科技日報記者采訪時表示。
IGBT芯片尺寸小、微觀結構復雜，影響芯片性能的結構和工藝參數眾多，同時IGBT芯片通態壓降、關斷損耗和過電流關斷能力相互制約，三者之間的綜合優化是攻關過程中最難突破的技術。
將推廣到海上柔性直流輸電等領域
“面對技術難題，聯研院研究團隊成立了青年突擊隊，采用理論分析、仿真設計和試驗驗證相結合的方式，優化IGBT芯片正面元胞結構和背面緩沖層結構設計，開發載流子增強層、背面緩沖層和超厚聚酰亞胺鈍化等關鍵工藝，最終研制出面向電力系統應用的高關斷能力IGBT芯片，實現了IGBT芯片的通態壓降、關斷損耗和過電流關斷能力的綜合優化，整體性能達到國際先進水平。”吳軍民說。
項目負責人、聯研院功率半導體研究所副所長金銳告訴科技日報記者，在芯片技術方面，團隊攻克了背面激光退火均勻性控制的技術難題；掌握了背面緩沖層摻雜對芯片特性的影響規律，提出三維局域載流子壽命控制方法，與國際同類產品相比，芯片整體性能達到國際先進水平。
“在壓接型封裝技術方面，基于多個碟簧組件串聯的零部件公差補償技術，團隊提出了適用于IGBT芯片并聯的彈性壓接封裝結構，突破了IGBT芯片大規模并聯的壓力均衡調控技術，實現了上百顆芯片并聯壓接封裝；結合封裝工藝特點與絕緣材料特征，獲得了封裝絕緣間隙、封裝絕緣材料參數及封裝工藝參數對器件絕緣水平的影響規律，提出了針對壓接封裝結構的封裝絕緣方案，掌握了分布注膠、周期性脫氣的灌封工藝；掌握了晶圓級、芯片級、子單元級、器件級共四個層級的高壓無損測試篩選方法，自主開發了子單元與器件的檢測與篩選裝備，支持壓接封裝器件開發。”金銳說。
金銳表示，未來，自主研制的高壓IGBT芯片和模塊，將推廣應用到海上柔性直流輸電、統一潮流控制器等領域，支撐“雙高”電力系統建設，助力“碳達峰碳中和”目標的實現。
