功率半導體的制造流程

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)器件結構進行外延、薄膜沉積、光刻、刻蝕和離子注入-擴散等多道工藝獲得裸芯片晶圓；(3)裸露的芯片需要封裝進一個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品，外殼中有一顆芯片的為單管產品，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等單元的為模塊產品，其封裝方式根據(jù)應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品應用到逆變器等電源系統(tǒng)中。

功率分立器件的分類

按照器件結構，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型晶體管（BJT）、結型場效應晶體管（JFET）、金屬氧化物場效應晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等。

二極管：

二極管是由PN 結或肖特基結(金屬-半導體)構成的元件，具備單向特性即電流流動（正向）或不流動（反向）取決于施加電壓的方向，以實現(xiàn)交流電整流的功能。根據(jù)其應用電壓范圍及結構可分為整流二極管、快恢復二極管、TVS 二極管及肖特基二極管等。

晶閘管：

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

晶體管：

由三個端子組成的器件，可通過控制三端的電流或電壓實現(xiàn)器件的導通或關斷，包括雙極型（BJT）、場效應型如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，可以將小信號轉換成大信號。當小電流（IB）從基極流向發(fā)射極時，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品；PNP 型主要為耐受電壓為400V 或以下的產品。

（2）MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）即金屬-氧化物半導體場效應晶體管：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”，實現(xiàn)器件的導通；通過調節(jié)電壓的大小可以控制導通電流大小，最終實現(xiàn)“開”與“關”的切換。由于其為單極型器件，開關性能佳，適用于低電流密度和大約100kHz 的開關電源。

（3）IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）即絕緣柵雙極型晶體管：作為MOSFET 和BJT 組成的復合功率半導體器件，其工作原理與MOSFET 類似。既具備了MOSFET 輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關速度快的優(yōu)勢，也具備了BJT 通態(tài)電流大、通電壓低、損耗小等優(yōu)點,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 以下的交流驅動條件下工作。

3 功率半導體分立器件的應用 ? 消費電子：用于各種電子裝置的電源及充電系統(tǒng)、功率半導體照明電源、家用電器變頻器等。 ? 工業(yè)電機：工業(yè)中需大量應用交直流電機，為其供電的可控整流電源或直流斬波電源、電機的變頻驅動系統(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、逆變器等應用。 ? 軌道交通：直流機車中的整流裝置，交流機車中的變頻裝置，高鐵、動車、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)、驅動控制系統(tǒng)與電池充電系統(tǒng)，以及各種車輛、飛機、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、無功補償技術、諧波抑制技術以及防止電網(wǎng)瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等提高供電質量的技術。 ? 新能源發(fā)電：光伏逆變、風力發(fā)電、太陽能發(fā)電、地熱能發(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：第三代半導體器件超強的抗輻照能力，在航空航天方面有著絕對的應用優(yōu)勢。 ? 武器裝備：電磁打火裝置，遠程導彈、雷達、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用均需用到功率器件。 ?

一方面，新能源應用增加，電網(wǎng)、光伏、風電、儲能、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，對器件可靠性與熱管理要求較高。

另一方面，工業(yè)自動化（電機、UPS）、數(shù)據(jù)中心等場景對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 的應用，對器件集成度、可靠性及熱管理均提出了要求。此外，在消費電子、電源等低功率應用中，硅基和GaN 基功率器件均有應用，該類應用對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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