摘要—本文研究了芯片表面受到局部壓力作用時(shí)芯片內(nèi)部應(yīng)力的大小及方向。結(jié)果表明表面的局部壓力需要一定的厚度才能在芯片體內(nèi)產(chǎn)生均勻的垂直應(yīng)力。在芯片表層，應(yīng)力集中于壓力區(qū)正下方，而其它區(qū)域是松弛的。深入芯片體內(nèi)，則表現(xiàn)為均勻的垂直應(yīng)力。這一現(xiàn)象可用于壓接式IGBT的設(shè)計(jì)，壓接區(qū)與溝道保持一定的安全距離，以保證IGBT的溝道區(qū)域免受壓力的影響。這樣可在保證可靠性的同時(shí)提高壓接式IGBT芯片的有效面積。
關(guān)鍵詞—松弛，壓接式，IGBT，壓力
I. 背景
IGBT 是一種重要的功率器件，控制簡(jiǎn)單且有著大的安全工作區(qū)。近些年，在器件設(shè)計(jì)[1]-[3]與應(yīng)用技術(shù)[4]-[5]等方面有許多研究工作都在提高IGBT的性能。IGBT的性能已經(jīng)趨于硅材料的極限[6]，但仍然有提高空間。尤其在封裝技術(shù)方面，傳統(tǒng)IGBT 模塊無(wú)法實(shí)現(xiàn)芯片的性能。引線及散熱是造成模塊失效的重要問(wèn)題 [7]-[8]。
雙面散熱、無(wú)引線的壓接式IGBT的提出[9]，為IGBT在高頻、高溫等大功率場(chǎng)合的應(yīng)用提供了解決思路。壓接式IGBT的主要優(yōu)點(diǎn)是低熱阻、低引線電感、無(wú)引線疲勞問(wèn)題。這些優(yōu)點(diǎn)使的IGBT在大功率應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能及很高的可靠性[10]-[12]，尤其是多個(gè)模組串聯(lián)應(yīng)用時(shí)[13]-[14]。
II. 壓接式IGBT芯片設(shè)計(jì)要點(diǎn)
壓接式IGBT并非簡(jiǎn)單地將一顆傳統(tǒng)IGBT芯片封裝成壓接形式，關(guān)鍵在于芯片本身與傳統(tǒng)IGBT芯片不同。圖1 為傳統(tǒng)IGBT芯片的元胞結(jié)構(gòu)示意圖。由于IGBT 為柵控器件，而壓力將會(huì)造成mos結(jié)構(gòu)在機(jī)械及電特性上的問(wèn)題，因此壓接式IGBT設(shè)計(jì)必須要考慮這些問(wèn)題對(duì)器件可靠性的影響。首先，薄的柵氧可能在壓力作用下發(fā)生機(jī)械損壞,當(dāng)芯片表面不平整時(shí)問(wèn)題將更嚴(yán)重。另外，MOS溝道的電子遷移率等電特性會(huì)因壓力及壓力產(chǎn)生的應(yīng)力而發(fā)生變化[15]-[16]。IGBT 有很高的溝道電流密度，因此這些問(wèn)題必須重視，特別是對(duì)于芯片表面不平整的情況。正是由于上述顧慮，在設(shè)計(jì)壓接式IGBT時(shí)，MOS溝道區(qū)域都是未受壓力作用的[9], [17]-[18]。
壓接式IGBT芯片的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示，發(fā)射極的壓接區(qū)域被設(shè)計(jì)在沒(méi)有元胞結(jié)構(gòu)的區(qū)域 [9]。 這樣一樣，MOS溝道區(qū)域則不會(huì)承受壓力作用。然而，這種設(shè)計(jì)將會(huì)使芯片的有效面積大打折扣，2013 年有報(bào)道顯示，在一顆壓接式芯片中，約有一半的面積是無(wú)效的[12]。
本文提出一種壓接IGBT設(shè)計(jì)方法，在提高芯片有效面積的同時(shí)，避免壓力造成的可靠性問(wèn)題。
先看一種有問(wèn)題的思路，如圖3所示，將接觸孔處的發(fā)射極金屬做高，以使壓力不直接作用于溝道區(qū)域。然而這種方法有兩個(gè)問(wèn)題，一是接觸孔在芯片面積中所占比重很小，這樣壓接式IGBT雙面散熱的優(yōu)勢(shì)幾乎消失了;二是，金屬在壓力作用下會(huì)擠壓柵極多晶硅側(cè)壁，在SiO2 - Si 界面處產(chǎn)生很大的水平應(yīng)力，溝道區(qū)域也會(huì)受到應(yīng)力的影響。因此這種思路并不可取。
若壓力只是作用于多晶硅上方的部分區(qū)域，而與溝道區(qū)域保持一定的距離，只要壓力造成的應(yīng)力朝溝道方向快速衰減，則可以解決問(wèn)題。本文用一個(gè)簡(jiǎn)化的模型仿真分析了這種情況下芯片體內(nèi)應(yīng)力的分布。
仿真中所用的三維尺寸及材料機(jī)械模型如圖4中所示。由于硅材料楊氏模量采用各向異性參數(shù)[19]，仿真中 XYZ軸與<100> 晶軸對(duì)齊。除芯片表面外，其他各面均采用對(duì)稱邊界條件，使用無(wú)摩擦支持力。施加壓強(qiáng)為 15 MPa。仿真平臺(tái)為 ANSYS 14.5。
仿真結(jié)果如圖5所示。在芯片的表層，應(yīng)力集中于壓接區(qū)正下方。需要經(jīng)過(guò) 50 μm 以上的轉(zhuǎn)換層，應(yīng)力才趨于均勻。在轉(zhuǎn)換層中，應(yīng)力向其他區(qū)域急劇衰減。稱這些應(yīng)力很小的區(qū)域?yàn)樗沙趨^(qū)。
I. 溝道松弛的壓接式IGBT設(shè)計(jì)
利用前面提到的思路，可設(shè)計(jì)出溝道區(qū)松弛的壓接式IGBT。 壓接區(qū)的位置及尺寸可通過(guò)下方的 SiO2 層加厚與否來(lái)控制。優(yōu)化的器件結(jié)構(gòu)如圖6所示。如前所述，Lsafe 應(yīng)足夠大。設(shè)計(jì)的元胞寬度為70 μm，p-well 寬度為23 μm，Lsafe 設(shè)計(jì)為8.5 μm，壓接區(qū)寬度設(shè)計(jì)為30 μm。
溝道密度、芯片面積及厚度等其他參數(shù)的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)IGBT并無(wú)區(qū)別。在成本方面，壓接式IGBT 芯片本身與傳統(tǒng)IGBT芯片差別不大，但封裝成本要高于傳統(tǒng)IGBT模塊。但在大功率應(yīng)用中，壓接式IGBT的高性能及高可靠性是傳統(tǒng)IGBT模塊所不能比擬的。
I. 結(jié)論
局部壓力作用下，芯片表面松弛的現(xiàn)象可用來(lái)保護(hù)器件的壓力敏感區(qū)域，而且可以應(yīng)用于多種柵控型壓接式器件的設(shè)計(jì)，顯著地提高芯片的有效面積。
參考文獻(xiàn)
[1] K. Nakamura, K. Hatori, Y. Hisamoto, S. Sakamoto, T. Harada and K. Hatade, “The next generation of HV-IGBTs with low loss and high SOA capability,” in Proc. ISPSD’08, May 2008, pp. 145-148.
[2] N. Luther-King, E. S. Narayanan, L. Coulbeck, A. Crane and R. Dudley, “Comparison of trench gate IGBT and CIGBT devices for 3.3 kV high power module applications,” in Proc. IEEE SPEEDAM, Jun. 2010, pp. 545-549.
[3] P. Bhatnagar, P. Waind, L. Coulbeck, I. Deviny and J. Thomson, “Improvements in SOA ruggedness of 6.5 kV IGBTs,” in Proc. IEEE EPE, Aug. 2011, pp. 1-8.
[4] X. Gong, “A 3.3 kV IGBT module and application in modular multilevel converter for HVDC,” in Proc. IEEE ISIE, May 2012, pp. 1944-1949.
[5] Y. Lobsiger and J. W. Kolar, “Stability and robustness analysis of d/dt-closed-loop IGBT gate drive,” in Proc. IEEE APEC, Mar. 2013, pp. 2682-2689.
[6] J. Vobecky, M. Rahimo, A. Kopta and S. Linder, “Exploring the silicon design limits of thin wafer IGBT technology: the controlled punch through (CPT) IGBT,” in Proc. ISPSD’08, May, 2008, pp. 76-79.
[7] V. Smet, F. Forest, J. J. Huselstein, F. Richardeau, Z. Khatir, S. Lefebvre and Berkani, “Ageing and failure modes of IGBT modules in high-temperature power cycling,”. IEEE Trans. Industrial Electronics, vol. 58, no.10, pp. 4931-4941, Oct. 2011.
[8] H. K. Tseng, and M. L. Wu, “Electro-thermal-mechanical modeling of wire bonding failures in IGBT,” in Proc. IEEE IMPACT, Oct. 2013, pp. 152-157.
[9] Y. Takahashi, T. Koga, H. Kirihata and Y. Seki, “2.5 kV 100 A μ-stack IGBT,” in Proc. ISPSD’94, May – Jun. 1994, pp. 25-30.
[10] F. Chimento, W. Hermansson and T. Jonsson, “Robustness evaluation of High-Voltage Press-Pack IGBT Modules in Enhanced Short-Circuit Test,” IEEE Trans. Industry Applications, vol. 48, no.3, pp. 1046-1053, May - Jun. 2012.
[11] O. S. Senturk, L. Helle, S. Munk-Nielsen, P. Rodriguez and R. Teodorescu, “Power capability investigation based on electrothermal models of press-pack IGBT three-level NPC and ANPC VSCs for multimegawatt wind turbines,” IEEE Trans. Power Electronics, vol. 27, no. 7, pp. 3195-3206, Jul. 2012.
[12] F. Filsecker, R. Alvarez and Bernet, “Comparison of 4.5-kV Press-Pack IGBTs and IGCTs for Medium-Voltage Converters,” IEEE Trans. Industrial Electronics, vol. 60, no.2, pp. 440-449, Feb. 2013.
[13] K. Sasagawa, Y. Abe and K. Matsuse, “Voltage-balancing method for IGBTs connected in series,” IEEE Trans. Industry Applications, vol.40, no.4, pp. 1025-1030, Jul. – Aug. 2004.
[14] K. Fujii, K. Kunomura, K. Yoshida, A. Suzuki, S. Konishi, M. Daiguji and K. Baba, “STATCOM applying flat-packaged IGBTs connected in series,” IEEE Trans. Power Electronics, vol.20, no.5, pp. 1125-1132, Sept. 2005.
[15] A. T. Bradley, R. C. Jaeger, J. C. Suhling and K. J. O’Connor, “Piezoresistive Characteristics of Short-Channel MOSFETs on (100) Silicon,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 48, no. 9, pp. 2009-2015, Sept. 2001.
[16] M. Koganemaru, N. Tada, T. Ikeda, N. Miyazaki and H. Tomokage, “Numerical study on impact of mechanical stress in the regions of high current density in N-Type MOS devices,” in Proc. IEEE ESTC, Sept. 2012, pp. 1-6.
[17] Y. Takahashi, T. Koga, H. Kirihata and Y. Seki “2.5 kV-100 A flat-packaged IGBT (micro-stack IGBT),” IEEE Trans. Electron Devices, vol.43, no.12, pp. 2276-2282, Dec. 1996.
[18] Y. Takahashi, K. Yoshikawa, T. Koga, M. Soutome, T. Takano, H. Kirihata and Y. Seki, “Ultra high-power 2.5 kV-1800 A power pack IGBT,” in Proc. ISPSD’97, May 1997, pp. 233-236.
[19] M. A. Hopcroft, W. D. Nix and T. W. Kenny, “What is the Young's Modulus of Silicon?” J. Microelectromech. Syst., vol. 19, no. 2, pp. 229-238, Apr. 2010.
作者：滕淵1，喻巧群1，張文亮1，朱陽(yáng)軍1
機(jī)構(gòu)：中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，硅器件與集成技術(shù)研究室
