科技日报：电力系统的这颗国产“芯”脏，突破了四大技术瓶颈-品论天涯网

近日，国务院国资委向全社会发布《中央企业科技创新成果推荐目录（2020年版）》，包括核心电子元器件、关键零部件、分析测试仪器和高端装备等共计8个领域、178项科技创新成果。全球能源互联网研究院有限公司（以下简称联研院）研制的3300伏特（V）绝缘栅双极型晶体管（IGBT）芯片和模块赫然在列。历时4年，联研院攻关团队突破了制约国内高压IGBT发展坚固性差、可靠性低等技术瓶颈，打破了国外技术垄断。

日前，该团队牵头承担的国家重点研发计划项目“柔性直流输电装备压接型定制化超大功率IGBT关键技术及应用”通过了工业和信息化部组织开展的综合绩效评价。项目自主研制出满足柔性直流输电装备需求的4500V/3000A低通态压降和3300V/3000A高关断能力IGBT器件，解决了高压大容量压接型IGBT芯片和器件缺乏的问题。

涉及多个环节，需多行业联合攻关

高压IGBT芯片和器件的开发周期长，涉及到材料、芯片设计、芯片工艺、器件封装与测试各个环节，需要多学科交叉融合、多行业协同开发。

“当前，研发面向电力系统应用的高压IGBT器件的技术瓶颈主要有4个方面，一是高压芯片用高电阻率衬底材料制备技术，大尺寸晶圆的掺杂均匀性和稳定性难以满足高压IGBT和FRD芯片开发需求；二是高压芯片关键工艺能力不足，提升芯片性能的高端工艺加工能力欠缺，无法满足电力系统用高压IGBT芯片的加工需求；三是封装设计体系和工艺能力难以满足高压器件封装需求，尤其是压接型器件封装，在封装绝缘体系、多芯片并联均流和压力均衡控制方面研究不足；四是高压IGBT器件的整体可靠性和坚固性与国外先进水平相比存在差距，未经电力系统装备和工程长期应用的考核验证。”联研院功率半导体研究所所长吴军民在接受科技日报采访时表示。

IGBT芯片尺寸小、微观结构复杂，影响芯片性能的结构和工艺参数众多，同时IGBT芯片通态压降、关断损耗和过电流关断能力相互制约，三者之间的综合优化是攻关过程中最难突破的技术。

将推广到海上柔性直流输电等领域

“面对技术难题，联研院研究团队成立了青年突击队，采用理论分析、仿真设计和试验验证相结合的方式，优化IGBT芯片正面元胞结构和背面缓冲层结构设计，开发载流子增强层、背面缓冲层和超厚聚酰亚胺钝化等关键工艺，最终研制出面向电力系统应用的高关断能力IGBT芯片，实现了IGBT芯片的通态压降、关断损耗和过电流关断能力的综合优化，整体性能达到国际先进水平。”吴军民说。

项目负责人、联研院功率半导体研究所副所长金锐介绍，在芯片技术方面，团队攻克了背面激光退火均匀性控制的技术难题；掌握了背面缓冲层掺杂对芯片特性的影响规律，提出三维局域载流子寿命控制方法，与国际同类产品相比，芯片整体性能达到国际先进水平。

“在压接型封装技术方面，基于多个碟簧组件串联的零部件公差补偿技术，团队提出了适用于IGBT芯片并联的弹性压接封装结构，突破了IGBT芯片大规模并联的压力均衡调控技术，实现了上百颗芯片并联压接封装；结合封装工艺特点与绝缘材料特征，获得了封装绝缘间隙、封装绝缘材料参数及封装工艺参数对器件绝缘水平的影响规律，提出了针对压接封装结构的封装绝缘方案，掌握了分布注胶、周期性脱气的灌封工艺；掌握了晶圆级、芯片级、子单元级、器件级共四个层级的高压无损测试筛选方法，自主开发了子单元与器件的检测与筛选装备，支持压接封装器件开发。”金锐说。

金锐表示，未来，自主研制的高压IGBT芯片和模块，将推广应用到海上柔性直流输电、统一潮流控制器等领域，支撑“双高”电力系统建设，助力“碳达峰碳中和”目标的实现。

【责任编辑：张思嘉】