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新一代电力电子装置的“CPU”——IGBT
2020年11月23日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:459
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很多不了解半导体的人可能对IGBT比较陌生,但其实有着电力电子装置“CPU”之称的IGBT,是目前功率电子器件里技术最先进的产品,应用十分广泛,与我们的日常生活息息相关。

小到电磁炉、大到飞机船舶、轨道交通、新能源汽车、智能电网等战略性产业,都有IGBT在其中发挥关键作用。

就拿高铁来说,高铁使用交流电机来驱动,它的结构简单且省电,但转速很难调整,反映到高铁上,就是影响列车的车速。但好在转速和输入交流电源的频率有很密切的关系,所以就可以用使用IGBT的变换器搞出电压、频率受控的强电,来灵活控制电机的转速,这就是所谓的变压变频控制(VVVF)。

那么IGBT究竟是何方神圣,具体是怎么发挥作用的呢?

通俗来说,它是一个非通即断的开关,属于功率半导体器件。这类型里最基础的产品是大家耳熟能详的二极管,但二极管的开通和关闭不能通过器件本身进行控制,故称之为不可控型器件,其他的,还有半可控型全可控型,而全可控型里面的新星就是本篇的主角IGBT了。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),中文名为绝缘栅双极型晶体管,是半导体领域里分立器件中特别重要的一个分支。分立器件主要以功率半导体器件为主,本质上就是进行功率处理的,具有处理高电压、大电流能力的器件,主要用途包括电压/电流的变频、变压、变相、整流、逆变、开关等。

IGBT

半导体器件的分类及作用

IGBT没有放大电压的功能,导通时可以看做导线,断开时当做开路,它其实是由BJT 和MOSFET 组成的复合功率半导体器件,兼具两者的优点,既有MOSFET 的开关速度快、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小的优点,又有BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优点,在高压、大电流、高速等方面是其他功率器件不能比拟的,因而是电力电子领域较为理想的开关器件,是未来应用发展的主要方向。

IGBT结合了BJT和MOSFET的优点

IGBT

IGBT

当然,IGBT并不能完全替代BJT、MOSFET,三者根据各自的器件性能优势,都有适合的应用领域。BJT更强调工作功率,MOSFET更强调工作频率,而IGBT是工作功率和频率兼具。

IGBT

功率半导体器件的应用分布

IGBT发展到现在,也经过了多年的技术革新和产品迭代,如今市场上的最新技术为英飞凌在2018年底推出的第七代产品,整体技术发展方向可以归纳为向更高的功率密度、开关频率,以及更小的导通压降、开关损耗、芯片尺寸发展。

IGBT

IGBT的技术演进

    尽管我国拥有最大的功率半导体市场,但是目前国内IGBT等高端器件的研发与国际大公司相比还存在很大差距,极速5分快三功率半导体产业的发展必须改变目前技术处于劣势的局面,特别是要在产业链上游层面取得突破,改变目前功率器件领域封装强于芯片制造的现状。

技术差距从以下两个方面有所体现:

1)高铁、智能电网、新能源与高压变频器等领域所采用的IGBT模块规格在6500V以上,技术壁垒较强;

2)IGBT芯片设计制造、模块封装、失效分析、测试等IGBT产业核心技术仍掌握在发达国家企业手中。

近几年极速5分快三IGBT产业在国家政策推动及市场牵引下得到迅速发展,已形成了IDM模式和代工模式的IGBT完整产业链,IGBT国产化的进程加快,有望摆脱进口依赖。

而在紧追国外技术的过程中,我国的IGBT技术研发瓶颈主要在技术工艺和生产设备方面,而工艺上面临以下几项难点:

(1)薄晶圆工艺

    IGBT制造中,薄晶圆是芯片工艺的发展趋势,可降低损耗,而且特定耐压指标的IGBT器件,芯片厚度也是特定的,需要减薄到200-100um,甚至到80um、60μm,这对于国内厂商的技术水平是很大的挑战。在100~200um的量级,当硅片磨薄到如此地步后,后续的加工处理就比较困难了,特别是对于8寸以上的大硅片,极易破碎,难度更大。

而芯片制程越小,晶圆的尺寸就越大,目前14nm或以下制程的芯片,全部采用12寸的晶圆片来制造,因为晶圆越大,衬底成本就越低,未来甚至会有18寸或更大的硅晶圆片出现,目前12寸晶圆我国还依赖于进口,在12寸的薄晶圆工艺上还有相当大的发展空间。

IGBT

芯片制造的基础——晶圆

(2)背面工艺

包括背面离子注入、退火激活、背面金属化等工艺步骤,由于正面金属的熔点的限制,这些背面工艺必须在低温下进行(不超过450°C),退火激活这一步难度极大。背面注入以及退火,此工艺并不像想象的那么简单。国外某些公司可代加工,但是他们一旦与客户签订协议,就不再给极速5分快三客户代提供加工服务。

(3)模块封装技术

国内基本掌握了传统的焊接式封装技术,其中中低压模块封装厂家较多,高压模块封装主要集中在少数公司。与国外公司相比,技术上的差距依然存在。国外公司基于传统封装技术相继研发出多种先进封装技术,能够大幅提高模块的功率密度、散热性能与长期可靠性,并初步实现了商业应用。

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