
功率半导体的制造流程
功率器件制造流程包括硅晶圆-外延-芯片制造-封装:(1)衬底:通过区熔(CZ)法和直拉(FZ)法得到单晶硅,并通过切割抛光后获得器件衬底(晶圆);(2)根据器件结构进行外延、薄膜沉积、光刻、刻蚀和离子注入-扩散等多道工艺获得裸芯片晶圆;(3)裸露的芯片需要封装进一个外壳里并填充绝缘材料,再把芯片电极引到外部制成完整的功率器件产品,外壳中有一颗芯片的为单管产品,有多颗芯片电气互连并包含散热通道、连接接口和绝缘保护等单元的为模块产品,其封装方式根据应用工况不同而有所区别;最后,再将封装好的单管或模块等器件产品应用到逆变器等电源系统中。
功率分立器件的分类
按照器件结构,分为二极管、功率晶体管、晶闸管等,其中功率晶体管分为双极性结型晶体管(BJT)、结型场效应晶体管(JFET)、金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。
二极管:
二极管是由PN 结或肖特基结(金属-半导体)构成的元件,具备单向特性即电流流动(正向)或不流动(反向)取决于施加电压的方向,以实现交流电整流的功能。根据其应用电压范围及结构可分为整流二极管、快恢复二极管、TVS 二极管及肖特基二极管等。
晶闸管:
由PNPN 四层半导体组成;当晶闸管接入正向电压并产生足够大的电流时,晶闸管就可导通,由于一旦导通后门极失效,因而为半控型器件。由于其没有导通和关断之间的放大区,因此通态内阻最小,发热最少,承受过电流能力极强且耐高压,可直接用于控制交流电。
晶体管:
由三个端子组成的器件,可通过控制三端的电流或电压实现器件的导通或关断,包括双极型(BJT)、场效应型如MOSFET 及绝缘栅型如IGBT 等器件:
(1)BJT(Bipolar Transistor)即双极晶体管,具有电流放大的功能,可以将小信号转换成大信号。当小电流(IB)从基极流向发射极时,IB×hFE(直流电流增益)的电流从集电极流向发射极。BJTs 有两种类型:NPN 型和PNP 型,NPN 型包括低耐受电压到高耐受电压产品;PNP 型主要为耐受电压为400V 或以下的产品。
(2)MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)即金属-氧化物半导体场效应晶体管:通过控制漏极和源极、栅极与源极之间的电压,可使得电子在器件中形成“沟道”,实现器件的导通;通过调节电压的大小可以控制导通电流大小,最终实现“开”与“关”的切换。由于其为单极型器件,开关性能佳,适用于低电流密度和大约100kHz 的开关电源。
(3)IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)即绝缘栅双极型晶体管:作为MOSFET 和BJT 组成的复合功率半导体器件,其工作原理与MOSFET 类似。既具备了MOSFET 输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度快的优势,也具备了BJT 通态电流大、通电压低、损耗小等优点,解决了MOSFET 高压情况下电流不能太大的问题,适用于高电流密度和20kHz 以下的交流驱动条件下工作。
以电为能量来源的下游应用均需用到功率器件。
一方面,新能源应用增加,电网、光伏、风电、储能、新能源汽车均需用到功率器件且集中于中高功率段,器件以IGBT、SiC 器件及大功率晶闸管为主,对器件可靠性与热管理要求较高。
另一方面,工业自动化(电机、UPS)、数据中心等场景对用电效率提升的要求催生了中功率段功率器件如IGBT、中高压MOSFET 的应用,对器件集成度、可靠性及热管理均提出了要求。此外,在消费电子、电源等低功率应用中,硅基和GaN 基功率器件均有应用,该类应用对器件的紧凑性和集成度提出了较高要求。
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