一文解析功率半导体的制造流程

功率半导体的制造流程

功率器件制造流程包括硅晶圆-外延-芯片制造-封装：(1)衬底：通过区熔（CZ）法和直拉（FZ）法得到单晶硅，并通过切割抛光后获得器件衬底（晶圆）；(2)根据器件结构进行外延、薄膜沉积、光刻、刻蚀和离子注入-扩散等多道工艺获得裸芯片晶圆；(3)裸露的芯片需要封装进一个外壳里并填充绝缘材料，再把芯片电极引到外部制成完整的功率器件产品，外壳中有一颗芯片的为单管产品，有多颗芯片电气互连并包含散热通道、连接接口和绝缘保护等单元的为模块产品，其封装方式根据应用工况不同而有所区别；最后，再将封装好的单管或模块等器件产品应用到逆变器等电源系统中。

功率分立器件的分类

按照器件结构，分为二极管、功率晶体管、晶闸管等，其中功率晶体管分为双极性结型晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（JFET）、金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。

二极管：

二极管是由PN 结或肖特基结(金属-半导体)构成的元件，具备单向特性即电流流动（正向）或不流动（反向）取决于施加电压的方向，以实现交流电整流的功能。根据其应用电压范围及结构可分为整流二极管、快恢复二极管、TVS 二极管及肖特基二极管等。

晶闸管：

由PNPN 四层半导体组成；当晶闸管接入正向电压并产生足够大的电流时，晶闸管就可导通，由于一旦导通后门极失效，因而为半控型器件。由于其没有导通和关断之间的放大区，因此通态内阻最小，发热最少，承受过电流能力极强且耐高压，可直接用于控制交流电。

晶体管：

由三个端子组成的器件，可通过控制三端的电流或电压实现器件的导通或关断，包括双极型（BJT）、场效应型如MOSFET 及绝缘栅型如IGBT 等器件：

（1）BJT（Bipolar Transistor）即双极晶体管，具有电流放大的功能，可以将小信号转换成大信号。当小电流（IB）从基极流向发射极时，IB×hFE（直流电流增益）的电流从集电极流向发射极。BJTs 有两种类型：NPN 型和PNP 型,NPN 型包括低耐受电压到高耐受电压产品；PNP 型主要为耐受电压为400V 或以下的产品。

（2）MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）即金属-氧化物半导体场效应晶体管：通过控制漏极和源极、栅极与源极之间的电压，可使得电子在器件中形成“沟道”，实现器件的导通；通过调节电压的大小可以控制导通电流大小，最终实现“开”与“关”的切换。由于其为单极型器件，开关性能佳，适用于低电流密度和大约100kHz 的开关电源。

（3）IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）即绝缘栅双极型晶体管：作为MOSFET 和BJT 组成的复合功率半导体器件，其工作原理与MOSFET 类似。既具备了MOSFET 输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度快的优势，也具备了BJT 通态电流大、通电压低、损耗小等优点,解决了MOSFET 高压情况下电流不能太大的问题，适用于高电流密度和20kHz 以下的交流驱动条件下工作。

3 功率半导体分立器件的应用   消费电子：用于各种电子装置的电源及充电系统、功率半导体照明电源、家用电器变频器等。   工业电机：工业中需大量应用交直流电机，为其供电的可控整流电源或直流斩波电源、电机的变频驱动系统的核心器件。   汽车电子及充电系统：传统汽车的电源、照明等系统；新能源汽车的充电桩(器)、变流器、逆变器等应用。   轨道交通：直流机车中的整流装置，交流机车中的变频装置，高铁、动车、磁悬浮列车等轨道交通的直流斩波器，新能源汽车的电力变换系统、驱动控制系统与电池充电系统，以及各种车辆、飞机、船舶中的电源系统。   智能电网：智能电网电力传输中的直流输电、柔性交流输电、无功补偿技术、谐波抑制技术以及防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等提高供电质量的技术。   新能源发电：光伏逆变、风力发电、太阳能发电、地热能发电、生物能和燃料电池发电系统中的逆变器、变流器等装置中。   航空航天：第三代半导体器件超强的抗辐照能力，在航空航天方面有着绝对的应用优势。   武器装备：电磁打火装置，远程导弹、雷达、电磁弹射系统的电源系统中。   以电为能量来源的下游应用均需用到功率器件。  

一方面，新能源应用增加，电网、光伏、风电、储能、新能源汽车均需用到功率器件且集中于中高功率段，器件以IGBT、SiC 器件及大功率晶闸管为主，对器件可靠性与热管理要求较高。

另一方面，工业自动化（电机、UPS）、数据中心等场景对用电效率提升的要求催生了中功率段功率器件如IGBT、中高压MOSFET 的应用，对器件集成度、可靠性及热管理均提出了要求。此外，在消费电子、电源等低功率应用中，硅基和GaN 基功率器件均有应用，该类应用对器件的紧凑性和集成度提出了较高要求。

编辑：黄飞