第一部分：芯片制造核心技术
芯片制造的目标是在硅晶圆上制造出具有特定电学特性的IGBT单元结构,这需要极高的精度和纯度。
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晶圆与衬底技术
这是所有制造的基础,决定了器件的最终性能极限。
- 衬底材料：
- 硅：最主流的材料，技术成熟，成本相对较低。
- 碳化硅：新一代宽禁带半导体材料，SiC IGBT具有更高的耐压、更低的导通损耗和更高的工作温度，是技术前沿，其制造工艺与硅有显著不同，更具挑战性。
- 晶圆质量：
- 高纯度：要求硅的纯度达到99.999999999%（11个9），以减少杂质对器件性能的负面影响。
- 低缺陷密度：晶圆中的缺陷（如位错、堆垛层错）会成为漏电通道或早期失效点，必须严格控制。
- 精确的晶向和电阻率：晶向（如<100>）和掺杂浓度（决定电阻率）直接影响IGBT的开关特性、通态压降和耐压能力。
光刻技术
光刻技术如同“照相印刷”，将设计好的电路图形精确地转移到晶圆上。
- 高分辨率光刻：IGBT单元尺寸不断缩小（从微米级到亚微米级），需要使用更短波长的光源（如KrF, ArF Excimer激光）和先进的分辨率增强技术（如相移掩膜）来确保图形的清晰度和精度。
- 多步光刻：一个完整的IGBT芯片需要经过数十次甚至上百次光刻，分别定义P+区、N+区、P阱、栅极、发射极等不同区域，每一步都必须对准精准，否则器件功能会失效。
刻蚀技术
刻蚀技术用于将光刻定义的图形转移到下方的薄膜或衬底中。
- 各向异性刻蚀：尤其是在刻蚀深沟槽（用于制作FS-IGBT的P+区）时，需要刻蚀得又深又垂直，不能有侧向钻蚀，这通常采用反应离子刻蚀技术，通过物理轰击和化学反应的协同作用实现。
- 高选择比刻蚀：在刻蚀某一层材料时，必须保证对下方的其他材料层（如栅氧化层、隔离层）的腐蚀最小化。
掺杂技术
掺杂是精确控制半导体区域导电类型（P型或N型）和浓度的核心技术。
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- 离子注入：将带电的杂质离子（如硼、磷、砷）加速后“射击”到硅片中，通过控制能量和剂量来精确控制掺杂的深度和浓度，这是形成P阱、N+发射极等区域的主要方法。
- 扩散退火：离子注入后，晶圆需要经过高温退火，使注入的离子进入晶格 substitutional sites，激活其施主/受主活性，并修复离子注入造成的晶格损伤，退火温度和时间窗口的控制至关重要。
- 外延生长：对于高压IGBT，通常需要在低掺杂的N型衬底上外延一层厚度和掺杂浓度可控的高质量单晶硅层，这个外延层直接决定了器件的耐压能力，外延层的厚度均匀性和掺杂浓度均匀性要求极高。
栅介质与栅极技术
栅极是IGBT的“大脑”，控制着器件的开关行为。
- 高质量栅氧化层：栅极与半导体之间的氧化层（通常是SiO₂）必须是高质量的、无针孔的薄层，其厚度和质量直接决定了栅极的耐压能力和栅极漏电流，通常采用热氧化工艺生长，以获得最佳界面质量。
- 多晶硅栅极：在栅氧化层上沉积一层重掺杂的多晶硅作为栅电极，多晶硅的电阻率需要严格控制。
- 栅极凹槽技术：这是现代IGBT（如沟槽栅Trench IGBT）的关键技术，通过刻蚀深沟槽，将栅极埋入沟槽中，实现了更小的单元间距，从而大幅提高了芯片的电流密度和开关速度，降低了导通损耗。
终端技术
终端是IGBT芯片边缘的“保护环”，用于确保高压下的电场均匀分布，防止边缘电场集中导致的器件击穿。
- 场环：在芯片边缘交替设置P+和N+环，平滑电场分布。
- 场板：在芯片表面的介质层上设置金属电极，利用电容效应来调制边缘电场。
- 斜面/曲面终端：通过特殊的化学或物理方法将芯片边缘磨成斜面，增加耐压距离，是终端技术的终极方案之一，尤其适用于超高压器件。
背面技术
IGBT是垂直结构的器件,背面技术同样关键。
- 背面注入与退火：在晶圆背面进行高剂量的P+离子注入，形成P+集电区，以形成PN结，由于晶圆很厚，背面注入需要极高的能量。
- 背面金属化：在背面溅射或电镀一层低电阻率的金属（如铝、钛/镍/银），作为集电极的欧姆接触。
第二部分：模块封装核心技术
制造好的裸芯片不能直接使用,必须封装在模块内部，以提供电气连接、机械保护和散热。
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芯片互连技术
这是将IGBT芯片和二极管芯片连接到模块内部的导电基板上。
- 烧结：
- 银烧结：目前的主流技术，使用银颗粒或银烧结胶，在高温（约250°C）和压力下，将芯片与铜基板（如DBC或AMB）烧结在一起，银烧结的界面结合强度高、热导率和电导率优异，可靠性远超传统焊接。
- 铜烧结：用于更高温（>300°C）的应用，是SiC器件封装的关键技术。
- 焊接：
- 锡基软焊：传统技术，成本低，但工作温度上限低（lt;175°C），可靠性较差，在高端应用中逐渐被银烧结取代。
绝缘与散热基板技术
基板需要同时实现高绝缘、高导热和优异的机械强度。
- DBC (Direct Bonded Copper)：将一层铜箔直接键合在陶瓷（如Al₂O₃, AlN）基板上，技术成熟，成本低，但陶瓷与铜的热膨胀系数差异较大，在热循环中易失效。
- AMB (Active Metal Brazed)：在铜和陶瓷之间使用活性金属（如钛）进行钎焊，结合强度和可靠性远超DBC，能承受更大的热应力，是高端IGBT模块的主流选择。
封装材料与结构技术
封装材料决定了模块的长期工作温度和可靠性。
- 环氧模塑料：用于模块外壳的封装，提供机械保护和环境保护。
- 硅凝胶：填充在芯片和外壳之间，缓冲热应力，并提供环境隔离。
- 先进的灌封技术：如凝胶注模，可以更好地填充复杂的模块内部空间，减少空洞，提高散热和绝缘性能。
- 压接式结构：一种无焊料的封装技术，通过施加巨大的机械压力将芯片、基板和外壳压在一起，这种结构具有极好的热循环能力和高温可靠性，是IGBT封装的未来发展方向之一。
可靠性测试与失效分析
制造完成后,必须经过严格的测试来确保产品质量和寿命。
- 环境测试：高低温冲击、湿热、振动、盐雾等，模拟恶劣工作环境。
- 寿命测试：进行长时间的高温反偏测试、功率循环测试，加速模拟器件在实际工作中的老化过程，预测其寿命。
- 失效分析：当模块失效时，通过扫描电镜、红外热像仪、X射线等技术分析失效原因，反馈到制造工艺中进行改进。
IGBT的制造是一个典型的系统工程,其关键技术可以概括为：
- 芯片端：追求更高的性能（更低的导通压降、更快的开关速度、更高的耐压），通过光刻、刻蚀、掺杂、栅槽化等微纳加工技术不断优化单元结构。
- 封装端：追求更高的可靠性和散热能力，通过银烧结、AMB基板、压接结构等先进封装技术，确保芯片在严苛工况下长期稳定工作。
随着新能源汽车、光伏、风电等应用对效率和功率密度要求的不断提高，IGBT制造技术正朝着SiC/GaN等宽禁带材料、更精细的沟槽栅结构和更高功率密度/更高可靠性的先进封装方向持续演进。
