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电力系统的这颗国产“芯”脏,突破了四大技术瓶颈

来源:科技日报2021-07-14 09:38

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  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记者采访时表示。

  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告诉科技日报记者,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。(马爱平 邓鸿伟 王耀华

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