الحالة الفنية وخصائص شريحة IGBT عالية الطاقة

هذه الورقة على التوالي من هيكل شريحة IGBT، وهيكل منطقة المجمع على هيكل MOS الخلفي والأمامي، ويقوم النظام بتحليل الوضع الحالي للتكنولوجيا وخصائص شريحة IGBT عالية الطاقة، من جانبين لحام الرقاقة والتوصيل البيني الكهربائي الشامل تم تقديم تقنية تغليف وحدة IGBT، ويقوم الهيكل الجديد والتكنولوجيا الجديدة وتكنولوجيا المواد الجديدة بتحليل ثلاثة جوانب لتقنية IGBT باتجاه التطوير في المستقبل.

الترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة المعزولة (Insulated Gate Bipolar Transistor، IGBT) موجود في ترانزستور تأثير مجال أكسيد المعدن (MOSFET) والترانزستور ثنائي القطب (Bipolar) الذي تم تطويره على أساس نوع جديد من أجهزة الطاقة المركبة، مع وظائف إدخال MOS وثنائي القطب انتاج.

يتمتع IGBT بمزايا انخفاض الجهد المنخفض، وكثافة التيار العالية، ومقاومة الجهد العالي، وقوة محرك MOSFET منخفضة الطاقة، وسرعة التبديل السريعة، ومقاومة الإدخال العالية والاستقرار الحراري الجيد.

باعتباره الجهاز الأساسي لمحول الطاقة الإلكتروني، فهو يضع الأساس للتردد العالي والتصغير والأداء العالي والموثوقية العالية لجهاز التطبيق.

منذ التطبيق التجاري لـ IGBT، باعتباره النوع الرئيسي لأجهزة أشباه موصلات الطاقة الجديدة، يحتل IGBT موقعًا مهمًا في نطاق تطبيق التردد من 1 إلى 100 كيلو هرتز، مع نطاق جهد من 600 فولت - 6500 فولت ونطاق تيار من 1 أمبير - 3600 أمبير (وحدة 140 مم × 190 مم).

يستخدم IGBT على نطاق واسع في الصناعات، 4C (الاتصالات، أجهزة الكمبيوتر، الإلكترونيات الاستهلاكية، إلكترونيات السيارات)، الطيران، الدفاع وغيرها من الصناعات التقليدية، بالإضافة إلى النقل بالسكك الحديدية، الطاقة الجديدة، الشبكة الذكية، مركبات الطاقة الجديدة وغيرها من الصناعات الاستراتيجية الناشئة.

إن اعتماد IGBT لتحويل الطاقة يمكن أن يحسن كفاءة وجودة استخدام الكهرباء، وله خصائص الكفاءة العالية وتوفير الطاقة وحماية البيئة الخضراء.إنها التكنولوجيا الداعمة الرئيسية لحل مشكلة نقص الطاقة وتقليل انبعاث الكربون.لذلك، يطلق عليها اسم 'وحدة المعالجة المركزية' لمنتجات محولات الطاقة و 'جوهر الاقتصاد الأخضر'.

في فترة طويلة من الزمن في المستقبل، ستلعب IGBT دورًا أكثر أهمية في تلبية الاحتياجات الإستراتيجية لخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية، وستكون نقطة ارتكاز مهمة للتكنولوجيا الموفرة للطاقة والاقتصاد منخفض الكربون.

في الوقت الحاضر، شركات أشباه الموصلات عالية الطاقة في العالم لازدهار البحث والتطوير IGBT، يتسارع البحث والابتكار التكنولوجي بشكل متزايد، الشركات المصنعة لتصميم وإنتاج شرائح IGBT هي Infineon، ABB، Mitsubishi Electric، Dynex (سيارة جنوب الصين،

CSR)، IXYS Corporation، International Rectifier، Powerex، Philips، Motorola، Fuji Electric، Hitachi، Toshiba، وما إلى ذلك، تتركز بشكل رئيسي في أوروبا وأمريكا واليابان وبلدان أخرى.

لعدة أسباب، على الرغم من أن البحث والتطوير في مجال تكنولوجيا IGBT المحلية قد بدأ في وقت مبكر، إلا أن التقدم بطيء، خاصة في تصنيع IGBT لا يزال في المرحلة الأولية، كأكبر سوق لتطبيقات IGBT في العالم، تعتمد وحدة IGBT بشكل أساسي على الواردات.

في السنوات الأخيرة، بتوجيه وتنظيم السياسة الكلية الوطنية، حققت المؤسسات المحلية من خلال قنوات مختلفة في شرائح IGBT والوحدات وغيرها من المجالات الكثير من التقدم المُرضي، حيث استفادت شركة Dynex البريطانية لأشباه الموصلات من خلال عمليات الاندماج والاستحواذ بشكل كامل من الأثرياء الأوروبيين. الموارد التقنية، إعداد أشباه موصلات الطاقة لمركز البحث والتطوير في الخارج، وأتقنت بسرعة تصميم شرائح IGBT المتقدم 1200 فولت إلى 6500 فولت، وعملية التصنيع وتكنولوجيا تغليف الوحدة النمطية، وفي تشوتشو، بناء خط إنتاج تغليف شرائح IGBT متقدم مقاس 8 بوصات.

سيتم إنتاج شريحة IGBT بكميات كبيرة في أوائل عام 2014.

فرن الانصهار الفراغي IGBT، الذي تم إنتاجه بواسطة شعلة ، تعمل على تشغيل مصانع IGBT وتضيف الطوب والملاط إلى منتجات IGBT المصنوعة في الصين باستخدام التكنولوجيا والتكنولوجيا الاحترافية.

فيما يتعلق بتكنولوجيا تعبئة الوحدات، أتقنت الصين بشكل أساسي تكنولوجيا تعبئة اللحام التقليدية، ومن بينها العديد من الشركات المصنعة لتغليف وحدات IGBT ذات الجهد المتوسط ​​والمنخفض، في حين تركز عبوات وحدات IGBT ذات الجهد العالي بشكل أساسي على المسؤولية الاجتماعية للشركات وCNR.

ولا تزال الفجوة التكنولوجية قائمة مع الشركات الأجنبية.

استنادًا إلى تكنولوجيا التغليف التقليدية، طورت الشركات الأجنبية مجموعة متنوعة من تقنيات التغليف المتقدمة، والتي يمكن أن تحسن بشكل كبير كثافة الطاقة وأداء تبديد الحرارة والموثوقية طويلة المدى للوحدة، وحققت التطبيق التجاري في البداية.

شعلة لقد كانت تقنية التغليف الفراغي الرفيق IGBT موجودة في BYD وغيرها من شركات IGBT الكبيرة من خلال التحقق على المدى الطويل.

2 الحالة الفنية

2.1 تقنية رقاقة IGBT

تتكون شريحة IGBT (فرن الانصهار الفراغي) هيكليًا من عشرات الآلاف من الخلايا (وحدات متكررة)، ويتم تصنيعها بواسطة تقنية lsi وتكنولوجيا أجهزة الطاقة [2].

يظهر هيكل كل خلية في الشكل 2 أدناه، والذي يمكن تقسيمه إلى ثلاثة أجزاء: هيكل الجسم، وهيكل MOS الأمامي، وهيكل منطقة المجمع الخلفي.

لقد مر تطوير تكنولوجيا تصميم هيكل الحجم لـ IGBT التجارية عبر عملية من Punch Through (PT) إلى Non Punch Through (NPT) ومن ثم إلى Soft Punch Through (SPT)، كما هو موضح في الشكل 3 [3].

قبل الهيكل من خلاله، كان الهيكل السائب لـ IGBT عبارة عن هيكل غير من خلال يعتمد على عملية نشر الرقاقة السميكة، وكانت كفاءة الحقن في الفتحة الخلفية عالية جدًا.نظرًا لبنية الثايرستور الطفيلية داخل الجهاز، كان IGBT عرضة للإمساك أثناء العمل، لذلك كان من الصعب تحقيق الاستخدام التجاري.

مع تطور التكنولوجيا الفوقي، تم تقديم الطبقة العازلة من النوع n لتشكيل بنية مخترقة، مما أدى إلى تقليل كفاءة حقن الثقوب في الخلف وتحقيق تطبيق الدفعة.ومع ذلك، نظرًا لخصائص التكنولوجيا الفوقي، كان تطوير IGBT عالي الجهد محدودًا، وكان أعلى مستوى جهد له هو 1700 فولت.

مع تطور تكنولوجيا الرقاقات الرقيقة المناطقية، يعزز هيكل IGBT غير المار عبر ركائز من النوع n التحسين المستمر لمستوى الجهد، كما أن IGBT لديه معامل درجة حرارة إيجابي من خلال تقنية التحكم في كفاءة حقن الثقب، والتي يمكنها تحقيق التوازي بشكل أفضل التطبيق وتحسين مستوى قوة التطبيق.

مع زيادة مستوى الجهد، يزيد أيضًا سمك الركيزة الرقاقة بسرعة، ويؤدي في النهاية إلى زيادة انخفاض ضغط الحالة، من أجل تحسين حالة انخفاض الضغط والضغط، تنشأ العلاقة بين الهيكل المحلي من خلال اللحظة التاريخية، ويطلق على ABB اسم Soft من خلال (Soft Punch Through, SPT) [4]، يُطلق على إنفينيون اسم المجال الكهربائي باسم (Field Stop, FS) [5]، وتسمى ميتسوبيشي الضعيفة من خلال (Light Punch Through, LPT) [6].

يطلق عليها IXYS اسم 'الثقب الخفيف للغاية' (XPT)، بالإضافة إلى أسماء أخرى مثل 'الثقب الرقيق' (TPT) والثقب المتحكم فيه (CPT)[7].

تحت نفس مقاومة الضغط، يكون سمك الهيكل الناعم أقل بنسبة 30٪ من سمك الهيكل غير القابل للاختراق، مع الحفاظ على معامل درجة الحرارة الإيجابية للهيكل غير القابل للاختراق.

في السنوات الأخيرة، تعتمد العديد من التقنيات المحسنة وتقنيات الرقائق فائقة الرقة على هيكل الجسم الناعم.في الوقت الحالي، سمك شريحة IGBT ذات الجهد الكهربي 600V يمكن أن يصل إلى 70um.

يؤثر هيكل المجمع لـ IGBT على كسب ترانزستور PNP وله تأثير مهم على انخفاض الجهد الأمامي وخسارة إيقاف التشغيل.

كان للنوع المخترق المبكر IGBT عمق تقاطع كبير في منطقة المجمع وكفاءة حقن كبيرة في الفتحة، والتي كانت عرضة لتأثير المزلاج.ولذلك، يجب اعتماد تكنولوجيا التحكم في الحياة المحلية للتحكم في كفاءة حقن الثقب الخلفي، ولكن معامل درجة الحرارة السلبية لانخفاض ضغط التوصيل ناتج عن السطح، وهو ما لا يفضي إلى التطبيق المتوازي.

IGBT الأحدث غير المخترق، مع هيكل جامع شفاف،

يتم التحكم في حقن الثقب، ويتم التخلص من التحكم في الحياة المحلية، ويتم تحقيق معامل درجة الحرارة الإيجابية لانخفاض ضغط التوصيل.تم استخدام هذه التقنية الهيكلية حتى يومنا هذا وتم تحسينها لتحسين سرعة الإغلاق وخصائص منطقة العمل الآمنة للدائرة القصيرة.

نظرًا لصعوبة معالجة الرقائق ذات الجهد الكهربي الأقل من 1200 فولت بسبب سماكة الرقاقة، يُقترح إنشاء هيكل 'مجمع داخلي شفاف' يستخدم طريقة زرع أيون الهيليوم والتنقيط لتجنب الشريحة الرقيقة جدًا تكنولوجيا المعالجة لتشكيل جامع شفاف.

يتمتع هيكل المجمع أيضًا بتأثير مهم على خصائص منطقة العمل الآمنة، وخاصة منطقة العمل الآمنة ذات الدائرة القصيرة.بالنسبة للتطبيقات ذات المتطلبات الخاصة المتعلقة بخصائص منطقة العمل الآمنة للدائرة القصيرة، يمكن تحقيق التسوية بين فقدان الإيقاف وتركيز المنشطات في منطقة المجمع وكفاءة حقن الطبقة العازلة من خلال التحكم في تركيز المنشطات وتحسينه. منطقة المجمع وكفاءة الحقن للطبقة العازلة.

يتضمن هيكل MOS الأمامي لـ IGBT مناطق البوابة والباعث.

يتكون هيكل الشبكة من نوعين: بوابة المستوى (الشكل 4 (أ)) وبوابة الأخدود (الشكل 4 (ب)).

يتمتع هيكل البوابة المستوية بطبقة أكسيد البوابة ذات نوعية جيدة، وسعة البوابة صغيرة، ولن يسبب تركيز المجال الكهربائي في الجزء السفلي من البوابة ويؤثر على جهد الصمود.ولذلك، فإنه يستخدم على نطاق واسع في IGBT الجهد العالي (فئة الجهد من 3300V وما فوق).

من خلال تحسين وتحسين هيكل البوابة المستوية، يمكن تقليل سعة البوابة بشكل أكبر ويمكن تحسين خصائص التشغيل الأخرى، مثل تقليل وقت تخزين البوابة، وتقليل فقد التبديل، وتقليل الجهد الزائد للبوابة في اختبار منطقة العمل الآمنة للدائرة القصيرة (SCSOA) [ 16].

سوف تقوم قناة وبنية البوابة المحززة من الأفقي إلى الرأسي، بالقضاء على تأثير مقاومة التوصيل RJFET، ويمكن أيضًا تحسين الكثافة الخلوية، وبالتالي تقليل استهلاك الطاقة [17]، وبالتالي فهي تستخدم على نطاق واسع في الجهد المنخفض (1700 فولت) و المنتج تحت درجة الجهد، ولكن حفر الأخدود بعد السطح الخشن، يمكن أن يسبب تركيز المجال الكهربائي، وحركة الناقل ويؤثر على جهد الانهيار، وزيادة مساحة بوابة البولي سيليكون، مما يؤدي إلى زيادة سعة البوابة، بالإضافة إلى ذلك، بسبب الكثافة الحالية يؤدي إلى الانخفاض من قدرة الدائرة القصيرة.

من أجل تقليل سعة البوابة وتقليل تيار الدائرة القصيرة، من الضروري تحسين البنية الخلوية، كما هو موضح في الشكل 5.

اقترحت شركة Mitsubishi بنية IGBT 'خلوية مدمجة' (خلايا موصولة/وهمية)[18-19](الشكل 6) لتقليل تيار التشبع، وتحسين قدرة الدائرة القصيرة، وقمع تذبذب جهد البوابة أثناء اختبار الدائرة القصيرة.

من أجل تلبية احتياجات التغليف المختلفة، يمكن وضع قطب بوابة IGBT في وسط الشريحة، ومركز الحافة والزاوية، لحزمة اللحام، يمكن لهذه المواضع الثلاثة تلبية المتطلبات، لحزمة الضغط، اختر بشكل عام لضبط قطب البوابة في الزاوية.

حاليًا، تعمل تقنية التعزيز المتقدمة على تحسين كفاءة حقن الإلكترون في النهاية بالقرب من منطقة الباعث عن طريق تحسين هيكل MOS على الجانب الأمامي، وذلك لتحسين علاقة المقايضة بين انخفاض ضغط التشغيل وإيقاف التشغيل وخسارة إيقاف التشغيل (الشكل 7).

يتم استخدام بنية طبقة تخزين الناقل (CSL) / طبقة حاجز الفتحة (HBL) بشكل شائع، كما هو موضح في الشكل 8.

كما يتبين من الشكل، يحيط الهيكل ببئر p عن طريق تعيين منطقة مخدرة من النوع n على محيط البئر p.

تعمل المنطقة المخدرة على تقصير طول القناة، وزيادة تدفقات حاملة الثقب للحاجز إلى باعث IGBT، وبالتالي في P - trap تكونت طبقة تراكم الثقب، وتزداد في حالة توصيل الإلكترونات من كفاءة حقن قناة MOS ، يعزز تأثير تعديل الموصلية، ويمكن أن يقلل بشكل كبير من فقدان توصيل الجهاز.

في تحقيق العملية، يمكن استخدام عملية الانحياز الذاتي، دون زيادة عدد الطباعة الحجرية.

ومع ذلك، فقد وجد أن المنطقة n-doped الموجودة أسفل المصيدة p ليست جيدة لمقاومة الجهد للرقاقة.

من أجل تحقيق حل وسط أفضل بين انخفاض جهد التشغيل والإيقاف وعرقلة الجهد، تم تطوير تقنية المنشطات من النوع n بجانب البئر p، أي أنه تم تشكيل زوج من المناطق المتماثلة n المشابهة على جانبي p -حسنًا، كما هو موضح في الشكل 9[23].

بالمقارنة مع تكنولوجيا بنية حاجز/طبقة الذاكرة الحاملة، فإن الفرق هو أن المنطقة المخدرة لا تحيط بالجزء السفلي والزاوي من المصيدة p، وبالتالي تقلل بشكل فعال من انخفاض الجهد على الرقاقة مع الحفاظ على مقاومة جهد الرقاقة إلى الحد الأقصى حد.

تشمل تدابير التعزيز الأخرى تحسين البنية الخلوية للأخدود أو استخدام بنية أخدود خاصة لتقليل كفاءة استخراج الثقب في منطقة القاعدة، وذلك لتحقيق الغرض من تعزيز حقن الإلكترون، ولتقليل فقدان التوصيل مع الحفاظ على دورة منخفضة -خسارة خارج.

IGBT، فرن اللحام الفراغي IGBT، فرن الانصهار الفراغي IGBT، لحام إنحسر الفراغ IGBT، لحام القصدير، لحام Au80Sn20، Au88Ge12، غطاء القصدير المحدد مسبقًا، لوح لحام من سبائك الإنديوم، لوح لحام SAC من النحاس والقصدير والفضة، الرصاص- لوح لحام مجاني، Ag72Cu28، In52Sn48، لوح لحام من سبائك الفضة الإنديوم، Sn90Sb10، Sn63Pb37، لوح لحام من القصدير الرصاص، لوح لحام ذو قاعدة ذهبية

، لحام قائم على الفضة، الإنديوم، لحام الجرمانيوم الذهبي، تغليف لحام جينكسي، جينشي، لحام لحام عالي النظيف IGBT، قطع لحام تدفق مسبقة الطلاء، تعبئة مسبقة الصنع باللحام، لحام، لحام SMT Ag92.5 Cu7.5، قطع لحام Bi58Sn42 ، قطع لحام Pb60In40، قطع لحام In60Pb40، قطعة لحام Pb75In25، قطعة لحام In50Sn50، لحام بدرجة حرارة منخفضة، قصدير، حبوب، قطع لحام Zn95Al4Cu1، In51Bi32.5 سن16.5 قطع لحام، لحام In66.3 Bi33.7، حبوب لحام Ag62Sn35Pb3

تشكيل لحام Ag60Cu23Sn17، لحام بدون تدفق، شريط لحام

إذا كنت مهتما بمنتجاتنا، يرجى زيارة موقعنا على الانترنت（www.torch.cc） أو البحث IGBT لحام الفراغ فرن على بايدو للتعرف على منتجاتنا.