電力系統(tǒng)的這顆國產(chǎn)“芯”臟，突破了四大技術(shù)瓶頸

近日，國務(wù)院國資委向全社會(huì)發(fā)布《中央企業(yè)科技創(chuàng)新成果推薦目錄（2020年版）》，包括核心電子元器件、關(guān)鍵零部件、分析測(cè)試儀器和高端裝備等共計(jì)8個(gè)領(lǐng)域、178項(xiàng)科技創(chuàng)新成果。全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱聯(lián)研院）研制的3300伏特（V）絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）芯片和模塊赫然在列。歷時(shí)4年，聯(lián)研院攻關(guān)團(tuán)隊(duì)突破了制約國內(nèi)高壓IGBT發(fā)展堅(jiān)固性差、可靠性低等技術(shù)瓶頸，打破了國外技術(shù)壟斷。

日前，該團(tuán)隊(duì)牽頭承擔(dān)的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“柔性直流輸電裝備壓接型定制化超大功率IGBT關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”通過了工業(yè)和信息化部組織開展的綜合績效評(píng)價(jià)。項(xiàng)目自主研制出滿足柔性直流輸電裝備需求的4500V/3000A低通態(tài)壓降和3300V/3000A高關(guān)斷能力IGBT器件，解決了高壓大容量壓接型IGBT芯片和器件缺乏的問題。

“當(dāng)前，研發(fā)面向電力系統(tǒng)應(yīng)用的高壓IGBT器件的技術(shù)瓶頸主要有4個(gè)方面，一是高壓芯片用高電阻率襯底材料制備技術(shù)，大尺寸晶圓的摻雜均勻性和穩(wěn)定性難以滿足高壓IGBT和FRD芯片開發(fā)需求；二是高壓芯片關(guān)鍵工藝能力不足，提升芯片性能的高端工藝加工能力欠缺，無法滿足電力系統(tǒng)用高壓IGBT芯片的加工需求；三是封裝設(shè)計(jì)體系和工藝能力難以滿足高壓器件封裝需求，尤其是壓接型器件封裝，在封裝絕緣體系、多芯片并聯(lián)均流和壓力均衡控制方面研究不足；四是高壓IGBT器件的整體可靠性和堅(jiān)固性與國外先進(jìn)水平相比存在差距，未經(jīng)電力系統(tǒng)裝備和工程長期應(yīng)用的考核驗(yàn)證?！甭?lián)研院功率半導(dǎo)體研究所所長吳軍民在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示。

IGBT芯片尺寸小、微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響芯片性能的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)眾多，同時(shí)IGBT芯片通態(tài)壓降、關(guān)斷損耗和過電流關(guān)斷能力相互制約，三者之間的綜合優(yōu)化是攻關(guān)過程中最難突破的技術(shù)。

“在壓接型封裝技術(shù)方面，基于多個(gè)碟簧組件串聯(lián)的零部件公差補(bǔ)償技術(shù)，團(tuán)隊(duì)提出了適用于IGBT芯片并聯(lián)的彈性壓接封裝結(jié)構(gòu)，突破了IGBT芯片大規(guī)模并聯(lián)的壓力均衡調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了上百顆芯片并聯(lián)壓接封裝；結(jié)合封裝工藝特點(diǎn)與絕緣材料特征，獲得了封裝絕緣間隙、封裝絕緣材料參數(shù)及封裝工藝參數(shù)對(duì)器件絕緣水平的影響規(guī)律，提出了針對(duì)壓接封裝結(jié)構(gòu)的封裝絕緣方案，掌握了分布注膠、周期性脫氣的灌封工藝；掌握了晶圓級(jí)、芯片級(jí)、子單元級(jí)、器件級(jí)共四個(gè)層級(jí)的高壓無損測(cè)試篩選方法，自主開發(fā)了子單元與器件的檢測(cè)與篩選裝備，支持壓接封裝器件開發(fā)?！苯痄J說。

金銳表示，未來，自主研制的高壓IGBT芯片和模塊，將推廣應(yīng)用到海上柔性直流輸電、統(tǒng)一潮流控制器等領(lǐng)域，支撐“雙高”電力系統(tǒng)建設(shè)，助力“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。