絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)設計與工藝（簡體書）

IGBT是新型高頻電力電子技術的CPU，是目前國家重點支持的核心器件，被廣泛應用於國民經濟的各個領域。本書共分10章，包括器件結構和工作原理、器件特性分析、器件設計、器件製造工藝、器件仿真、器件封裝、器件測試、器件可靠性和失效分析、器件應用和衍生器件及SiC-IGBT。
本書面向電氣、自動化、新能源等領域從事電力電子技術的廣大工程技術人員和研究生，既滿足從事器件設計、製造、封裝、測試專業人員的知識和技術需求，也兼顧器件應用專業人員對器件深入瞭解以滿足更好應用IGBT的願望。

趙善麒

江蘇宏微科技股份有限公司董事長、總裁，研究員，享受國務院特殊津貼，是中國電工技術學會電力電子學會常務理事、中國電源學會理事和中國電工技術學會電氣節能專委會理事。他是國內首位電力半導體器件博士，1994年赴法國里昂國立科學學院從事博士後研究，曾在香港科技大學和美國從事多年研究工作。2006年，他在常州創辦江蘇宏微科技股份有限公司，公司設有江蘇省“企業院士工作站”，並已承擔10餘項科研項目、3項省級科研項目，獲得37項國家專利、3項國際專利、2項軟件著作權，擁有7項省高新技術產品。宏微科技被認定為科技部“國家重點高新技術企業” “國家高技術產業化示範基地”“江蘇省高新技術企業”，是江蘇省科技成果轉化專項資金項目承擔單位。他入選中組部“千人計劃”和我省首批“雙創計劃”，並先後被江蘇省委、省政府評為“江蘇省勞動模範”、十大“江蘇留學回國先進個人”，被江蘇省僑辦評為“江蘇十佳創業新僑”。

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是在金屬氧化物半導體場效應晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET) 和雙極結型晶體管(Bipolar Junction Transistor，BJT) 的基礎上，結合兩者優點發展起來的一種新型複合電力半導體器件。經過穿通型（Punch-Through，PT）IGBT、非穿通型(Non-Punch-Through，NPT)IGBT和場阻止型（FieldStop，FS）IGBT等器件縱向結構的進化，從平面柵（Planar- Gate）IGBT、到溝槽柵（Trench-Gate）IGBT的柵結構演變，已成為高電壓、大電流、高頻電力電子裝置中應用最為廣泛的電力半導體器件。其應用遍布於工控領域，如電機調速、各種開關電源、UPS、靜電感應加熱等；家用電器，如變頻空調、變頻洗衣機、變頻冰箱、電磁爐等；新能源領域，如太陽能逆變器、風能變流器、電動汽車、電能質量管理等；軌道交通，如動車、地鐵的牽引系統、車廂的變流裝備、車載空調等；還有，智能電網與物聯網；城市照明與亮化工程；醫療器械和半導體裝置；航天航空與軍事等。使用IGBT，可以將原有電力電子裝備的電能消耗降低10%～40%，根據Baliga教授引用的數據，1990～2010年的20年間，如果50%的電機採用IGBT調速控制技術，全球累計節約電能41.9萬億kW•h。同時，減少20. 91萬億kg的二氧化碳排放。我國生產和利用的電機普遍低於三級能效標準，如果要達到這一標準，需要採用IGBT調速控制技術將電機整體能效提升5%～8%，屆時，每年可節約電能2000億kW•h左右，相當於兩個三峽電站的年發電量，減少約1800億kg的二氧化碳排放。可見，IGBT已經成為節能減排的核心器件，是電力電子裝備中綠色的芯。目前我國IGBT的市場規模在2016年已經超過了100億，約佔全球市場的三分之一。未來幾年在電動汽車、光伏及智能製造的牽引下，IGBT的需求量將以超過15%的年復合增長率增長。但具有中國“芯”的IGBT器件，市場佔有率不高，產品系列化不全。國產IGBT器件要有大發展，需要從設計方法、芯片製造工藝、封裝、測試及可靠性技術方面下功夫，需要紮紮實實地做好大量的基礎工作。
作為“電力電子新技術系列圖書”中的一冊，本書系統地介紹了IGBT器件基本結構和工作原理、靜動態特性、仿真設計、製造工藝、測試技術及可靠性與失效分析等內容，並給出了一些典型應用實例。本書還簡要介紹了IGBT的衍生器件和碳化矽IGBT的最新發展。
本書可以作為電子信息科學與技術及電力電子技術等相關專業本科生和研究生的參考書，也可為IGBT應用工程師提供器件方面的專業知識。
本書的整體架構和寫作大綱是由江蘇宏微科技股份有限公司趙善麒博士提出並撰寫，並參與了部分章節的撰寫和審核。西安工程大學高勇教授和西安理工大學王彩琳教授分別撰寫了主要章節並對全書進行了審核。參與本書撰寫工作的還有西安工程大學馮松博士、江蘇宏微科技股份有限公司姚天保高級工程師、劉清軍高級工程師、西安理工大學楊媛教授、江蘇力行電力電子科技有限公司錢昶博士以及魏進博士。江蘇宏微科技股份有限公司井亞會碩士參與了本書的整理和校對工作。另外西安交通大學楊旭教授對本書應用章節也提出了寶貴的意見，在此表示感謝！雖經過幾輪修改，但水平有限，書中錯誤和不當之處敬請讀者和同行批評指正。
本書的編寫提綱得到了“電力電子新技術系列圖書”編委會的指導，作者在此向他們深表謝意！

作者

電力電子新技術系列圖書序言
前言
第1章器件結構和工作原理1
1.1器件結構1
1.1.1基本特徵與元胞結構 1
1.1.2縱向結構 3
1.1.3橫向結構8
1.2工作原理與I-U特性11
1.2.1等效電路與模型11
1.2.2工作原理12
1.2.3物理效應14
1.2.4 I-U特性16
參考文獻24
第2章器件特性分析26
2.1IGBT的靜態特性26
2.1.1通態特性26
2.1.2阻斷特性27
2.2IGBT的動態特性31
2.2.1開通特性31
2.2.2關斷特性34
2.2.3頻率特性40
2.3安全工作區44
2.3.1FBSOA44
2.3.2RBSOA44
2.3.3SCSOA45
參考文獻46
第3章器件設計48
3.1關鍵電參數的設計48
3.1.1關鍵參數48
3.1.2需要協調的參數49
3.2有源區結構設計50
3.2.1元胞結構50
3.2.2柵極結構51
3.2.3柵極參數設計52
3.3終端結構設計54
3.3.1場限環終端設計54
3.3.2場板終端設計56
3.3.3橫向變摻雜終端設計57
3.3.4深槽終端設計58
3.4縱向結構設計59
3.4.1漂移區設計59
3.4.2緩衝層設計60
3.4.3集電區設計62
3.4.4增強層設計63
參考文獻65
第4章器件製造工藝67
4.1襯底材料選擇67
4.1.1矽單晶材料67
4.1.2矽外延片69
4.2製作工藝流程69
4.2.1平面柵結構的製作69
4.2.2溝槽柵結構的製作73
4.3基本工藝77
4.3.1熱氧化77
4.3.2摻雜79
4.3.3光刻85
4.3.4刻蝕88
4.3.5化學氣相澱積92
4.3.6物理氣相澱積94
4.3.7減薄與劃片工藝95
4.4工藝質量與參數檢測98
4.4.1工藝質量檢測98
4.4.2工藝參數檢測99
參考文獻103
第5章器件仿真105
5.1半導體計算機仿真的基本概念105
5.1.1工藝仿真105
5.1.2器件仿真106
5.1.3電路仿真107
5.2器件仿真方法、軟件及流程107
5.2.1器件仿真方法（TCAD）107
5.2.2器件仿真與工藝仿真軟件108
5.2.3器件仿真流程111
5.3器件物理模型選取111
5.3.1流體力學能量輸運模型111
5.3.2量子學模型113
5.3.3遷移率模型114
5.3.4載流子複合模型116
5.3.5雪崩產生模型118
5.4器件物理結構與網格劃分119
5.5器件電特性仿真121
5.61200V/100A IGBT設計實例123
5.6.1元胞設計123
5.6.2終端設計128
5.6.3器件工藝設計131
參考文獻144
第6章器件封裝147
6.1封裝技術概述147
6.2封裝基本結構和類型149
6.3封裝關鍵材料及工藝152
6.3.1絕緣基板及其金屬化153
6.3.2底板材料160
6.3.3黏結材料162
6.3.4電氣互聯材料167
6.3.5密封材料168
6.3.6塑料外殼材料170
6.3.7功率半導體芯片170
6.4IGBT模塊封裝設計171
6.4.1熱設計172
6.4.2功能單元174
6.4.3仿真技術應用175
6.5典型封裝技術與工藝183
6.5.1焊接過程184
6.5.2清洗185
6.5.3鍵合188
6.5.4灌膠保護189
6.5.5測試190
6.6IGBT模塊封裝技術的新進展190
6.6.1低溫燒結技術190
6.6.2壓接技術191
6.6.3雙面散熱技術192
6.6.4引線技術192
6.6.5端子連接技術193
6.66SiC器件封裝194
參考文獻194
第7章器件測試195
7.1靜態參數195
7.1.1集電極-發射極電壓UCES195
7.1.2柵極-發射極電壓UGES196
7.1.3最大集電極連續電流IC197
7.1.4最大集電極峰值電流ICM197
7.1.5集電極截止電流ICES198
7.1.6柵極漏電流IGES199
7.1.7集電極發射極飽和電壓 UCEsat199
7.1.8柵極-發射極閾值電壓 UGE(th)200
7.2動態參數200
7.2.1輸入電容Cies201
7.2.2輸出電容Coes202
7.2.3反向傳輸電容Cres203
7.2.4柵極電荷QG203
7.2.5柵極內阻rg204
7.2.6開通期間的各時間間隔和開通能量205
7.2.7關斷期間的各時間間隔和關斷能量206
7.3熱阻208
7.3.1IGBT的熱阻定義208
7.3.2結-殼熱阻Rth(j-c)和結殼瞬態熱阻抗Zth(j-c)208
7.4安全工作區211
7.4.1最大反偏安全工作區RBSOA211
7.4.2最大短路安全工作區SCSOA213
7.4.3最大正偏安全工作區FBSOA215
7.5UIS測試217
7.6可靠性參數測試218
7.6.1高溫阻斷試驗（HTRB）220
7.6.2高溫柵極偏置(HTGB）220
7.6.3高溫高濕反偏（H3TRB）221
7.6.4間歇工作壽命（PC）222
7.6.5溫度循環（TC）223
參考文獻224
第8章器件可靠性和失效分析225
8.1器件可靠性225
8.1.1閂鎖電流225
8.1.2雪崩耐量231
8.1.3抗短路能力235
8.1.4抗輻射能力238
8.2器件失效分析242
8.2.1過電壓失效243
8.2.2過電流與過熱失效246
8.2.3機械應力失效分析250
8.2.4輻射失效分析252
參考文獻254
第9章器件應用256
9.1IGBT應用系統介紹256
9.1.1IGBT損耗的計算257
9.1.2IGBT電壓、電流等級選取258
9.2IGBT驅動電路與設計259
9.2.1IGBT的柵極驅動電路260
9.2.2柵極電阻選取260
9.2.3驅動電流262
9.2.4柵極保護262
9.2.5死區時間263
9.3IGBT保護電路263
9.3.1過電流保護電路264
9.3.2過電壓保護電路265
9.3.3過熱保護電路266
9.3.4典型的驅動電路示例267
9.4IGBT評估測試267
9.4.1雙脈衝測試法267
9.4.2雙脈衝測試設備268
參考文獻273
第10章衍生器件及SiC-IGBT274
10.1雙向IGBT274
10.1.1基本結構274
10.1.2器件特性276
10.1.3工藝實現方法278
10.2逆導IGBT279
10.2.1基本結構280
10.2.2器件特性280
10.2.3工藝實現方法283
10.3逆阻IGBT283
10.3.1基本結構283
10.3.2器