一文解析功率半導(dǎo)體的制造流程

功率半導(dǎo)體的制造流程

功率器件制造流程包括硅晶圓-外延-芯片制造-封裝：(1)襯底：通過區(qū)熔（CZ）法和直拉（FZ）法得到單晶硅，并通過切割拋光后獲得器件襯底（晶圓）；(2)根據(jù)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行外延、薄膜沉積、光刻、刻蝕和離子注入-擴(kuò)散等多道工藝獲得裸芯片晶圓；(3)裸露的芯片需要封裝進(jìn)一個(gè)外殼里并填充絕緣材料，再把芯片電極引到外部制成完整的功率器件產(chǎn)品，外殼中有一顆芯片的為單管產(chǎn)品，有多顆芯片電氣互連并包含散熱通道、連接接口和絕緣保護(hù)等單元的為模塊產(chǎn)品，其封裝方式根據(jù)應(yīng)用工況不同而有所區(qū)別；最后，再將封裝好的單管或模塊等器件產(chǎn)品應(yīng)用到逆變器等電源系統(tǒng)中。

功率分立器件的分類

按照器件結(jié)構(gòu)，分為二極管、功率晶體管、晶閘管等，其中功率晶體管分為雙極性結(jié)型晶體管（BJT）、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）、金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等。

二極管：

二極管是由PN 結(jié)或肖特基結(jié)(金屬-半導(dǎo)體)構(gòu)成的元件，具備單向特性即電流流動(dòng)（正向）或不流動(dòng)（反向）取決于施加電壓的方向，以實(shí)現(xiàn)交流電整流的功能。根據(jù)其應(yīng)用電壓范圍及結(jié)構(gòu)可分為整流二極管、快恢復(fù)二極管、TVS 二極管及肖特基二極管等。

晶閘管：

由PNPN 四層半導(dǎo)體組成；當(dāng)晶閘管接入正向電壓并產(chǎn)生足夠大的電流時(shí)，晶閘管就可導(dǎo)通，由于一旦導(dǎo)通后門極失效，因而為半控型器件。由于其沒有導(dǎo)通和關(guān)斷之間的放大區(qū)，因此通態(tài)內(nèi)阻最小，發(fā)熱最少，承受過電流能力極強(qiáng)且耐高壓，可直接用于控制交流電。

晶體管：

由三個(gè)端子組成的器件，可通過控制三端的電流或電壓實(shí)現(xiàn)器件的導(dǎo)通或關(guān)斷，包括雙極型（BJT）、場(chǎng)效應(yīng)型如MOSFET 及絕緣柵型如IGBT 等器件：

（1）BJT（Bipolar Transistor）即雙極晶體管，具有電流放大的功能，可以將小信號(hào)轉(zhuǎn)換成大信號(hào)。當(dāng)小電流（IB）從基極流向發(fā)射極時(shí)，IB×hFE（直流電流增益）的電流從集電極流向發(fā)射極。BJTs 有兩種類型：NPN 型和PNP 型,NPN 型包括低耐受電壓到高耐受電壓產(chǎn)品；PNP 型主要為耐受電壓為400V 或以下的產(chǎn)品。

（2）MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）即金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管：通過控制漏極和源極、柵極與源極之間的電壓，可使得電子在器件中形成“溝道”，實(shí)現(xiàn)器件的導(dǎo)通；通過調(diào)節(jié)電壓的大小可以控制導(dǎo)通電流大小，最終實(shí)現(xiàn)“開”與“關(guān)”的切換。由于其為單極型器件，開關(guān)性能佳，適用于低電流密度和大約100kHz 的開關(guān)電源。

（3）IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）即絕緣柵雙極型晶體管：作為MOSFET 和BJT 組成的復(fù)合功率半導(dǎo)體器件，其工作原理與MOSFET 類似。既具備了MOSFET 輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡單、開關(guān)速度快的優(yōu)勢(shì)，也具備了BJT 通態(tài)電流大、通電壓低、損耗小等優(yōu)點(diǎn),解決了MOSFET 高壓情況下電流不能太大的問題，適用于高電流密度和20kHz 以下的交流驅(qū)動(dòng)條件下工作。

3 功率半導(dǎo)體分立器件的應(yīng)用 ? 消費(fèi)電子：用于各種電子裝置的電源及充電系統(tǒng)、功率半導(dǎo)體照明電源、家用電器變頻器等。 ? 工業(yè)電機(jī)：工業(yè)中需大量應(yīng)用交直流電機(jī)，為其供電的可控整流電源或直流斬波電源、電機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心器件。 ? 汽車電子及充電系統(tǒng)：傳統(tǒng)汽車的電源、照明等系統(tǒng)；新能源汽車的充電樁(器)、變流器、逆變器等應(yīng)用。 ? 軌道交通：直流機(jī)車中的整流裝置，交流機(jī)車中的變頻裝置，高鐵、動(dòng)車、磁懸浮列車等軌道交通的直流斬波器，新能源汽車的電力變換系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)與電池充電系統(tǒng)，以及各種車輛、飛機(jī)、船舶中的電源系統(tǒng)。 ? 智能電網(wǎng)：智能電網(wǎng)電力傳輸中的直流輸電、柔性交流輸電、無功補(bǔ)償技術(shù)、諧波抑制技術(shù)以及防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等提高供電質(zhì)量的技術(shù)。 ? 新能源發(fā)電：光伏逆變、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電、生物能和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器、變流器等裝置中。 ? 航空航天：第三代半導(dǎo)體器件超強(qiáng)的抗輻照能力，在航空航天方面有著絕對(duì)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。 ? 武器裝備：電磁打火裝置，遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、雷達(dá)、電磁彈射系統(tǒng)的電源系統(tǒng)中。 ? 以電為能量來源的下游應(yīng)用均需用到功率器件。 ?

一方面，新能源應(yīng)用增加，電網(wǎng)、光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、新能源汽車均需用到功率器件且集中于中高功率段，器件以IGBT、SiC 器件及大功率晶閘管為主，對(duì)器件可靠性與熱管理要求較高。

另一方面，工業(yè)自動(dòng)化（電機(jī)、UPS）、數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)景對(duì)用電效率提升的要求催生了中功率段功率器件如IGBT、中高壓MOSFET 的應(yīng)用，對(duì)器件集成度、可靠性及熱管理均提出了要求。此外，在消費(fèi)電子、電源等低功率應(yīng)用中，硅基和GaN 基功率器件均有應(yīng)用，該類應(yīng)用對(duì)器件的緊湊性和集成度提出了較高要求。

編輯：黃飛

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