干货满满!IFWS 2021:碳化硅功率器件与封装应用论坛成功召开!

日期:2021-12-10 来源:半导体产业网阅读:378
核心提示:近日,由第三代半导体产业技术创新战略联盟(CASA)、国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)联合主办,北京麦肯桥新材料生产
近日,由第三代半导体产业技术创新战略联盟(CASA)、国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)联合主办,北京麦肯桥新材料生产力促进中心有限公司与半导体产业网共同承办的第七届国际第三代半导体论坛暨第十八届中国国际半导体照明论坛(IFWS & SSLCHINA 2021)在深圳会展中心举行。
碳化硅功率器件
期间, “IFWS& SSLCHINA 2021:碳化硅功率器件与封装应用论坛“成功召开。会议由芜湖启迪半导体有限公司、中国电子科技集团公司第四十八研究所、北京北方华创微电子装备有限公司、德国爱思强股份有限公司协办支持。芜湖启迪半导体有限公司董事长赵清和复旦大学特聘教授、上海碳化硅功率器件工程技术研究中心主任张清纯联袂主持。
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会议现场
赵清
主持人:芜湖启迪半导体有限公司董事长 赵清
会上,美国电力首席执行官兼首席技术官、北卡罗莱纳州立大学教授Victor VELIADIS,复旦大学特聘教授、上海碳化硅功率器件工程技术研究中心主任张清纯,深圳欣锐科技股份有限公司董事长吴壬华,美国俄亥俄州立大学教授、IEEE会士Anant AGARWAL,中国电子科技集团公司第四十八研究所半导体装备研究部副主任巩小亮,大连理工大学教授王德君,北京北方华创微电子装备有限公司LED及化合物半导体行业发展部总经理王显刚,西安电子科技大学微电子学院教授张艺蒙,芜湖启迪半导体有限公司研发总监钮应喜、德国爱思强股份有限公司中国区副总经理方子文,广东佛智芯微电子技术研究有限公司副总经理,广东省半导体智能装备与系统集成创新中心首席科学家林挺宇,中国科学院微电子研究所系统封装与集成研发中心副研究员侯峰泽,复旦大学张园览等精英专家们带来精彩报告,分享前沿研究成果。
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Victor VELIADIS 1
美国电力首席执行官兼首席技术官、北卡罗莱纳州立大学教授Victor VELIADIS在线分享了“碳化硅大规模商业化:现状与障碍”主题报告。他在报告中概述碳化硅 (SiC) 的有利材料特性,这些特性可用于实现外形尺寸和冷却要求更低的高效功率器件。并展示高影响力的应用机会,其中 SiC 器件正在取代其现有的 Si 器件。在材料和器件制造方面重点是那些不是从成熟的硅制造领域继承下来的工艺,因此是碳化硅特有的。报告中介绍了平面和沟槽 MOSFET 的设计,它们目前被植入到大多数基于 SiC 的电力电子系统中。并分析了 Fab 模型,展示充满活力的美国 SiC 制造基础设施,讨论 SiC 大规模商业化的障碍。其中包括高于硅器件的成本、可靠性和坚固性问题、降低器件性能的缺陷,以及需要训练有素的劳动力才能熟练地将 SiC 插入电力电子系统。
张清纯
复旦大学特聘教授、上海碳化硅功率器件工程技术研究中心主任张清纯分享了“SiC器件和模块的最新进展 ”主题报告。SiC功率器件的典型应用有新能源汽车产业、充电桩、新能源发电和储能,这些产业都和碳中和息息相关。报告系统介绍了SiC功率器件应用、对低碳发展的意义以及国内SiC器件代工线最新进展。SiC的电力电子器件包括650伏到1700伏的二极管和MOSFET的研发和商品化以及如何降低器件的成本及其技术路线图等内容,并对新一代器件技术的提高途径和取得的重大进步方面也作了进一步的阐述。
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深圳欣锐科技股份有限公司董事长吴壬华博士分享了“SiC器件在新能源汽车产业中的应用”主题报告。他指出,欣锐科技“十六年磨一剑”专注新能源汽车业务,从成立之初确定电力电子能量变换技术、数字化实时控制和网络化监控三大核心技术,历经十六载锻造的大功率电力电子能量变换技术、第三代半导体SiC应用技术和软件定义产品技术三大核心技术已经成为公司三个业务板块共同的基石。CREE&Wolfspeed早在2013年就曾官宣与欣锐科技开展深度合作。新能源汽车产业中存在七个SiC器件应用场景,目前欣锐科技在新能源汽车产业中车载“三电”核心零部件中DC/DC变换器、车载充电机,燃车载燃料电池系统DCF、空气系统以及地面充电超级充电站、11KW EV 无线充电系统六个应用场景中均取得了全球技术领先优势。
 
欣锐科技率先推出燃料电池商用车FC-PEU大集成解决方案,不仅仅集成度得以大幅度提高,而且可实现“有氢加氢、无氢充电”的远景。目前已经承接了上汽大通、广汽埃安LX、长城F7、长安CS75、红旗H5-FCEV等几乎所有的国内燃料电池乘用车项目(DCF集成);并承接了清能客车/重卡项目、上燃专用车项目、杰宁重卡项目、潍柴重卡项目等主要的国内燃料电池商用车项目(基于DCF的FC-PEU大集成)。在超级充电站方面,推出的SHINRY 超级充电模块&系统解决方案,11KW EV无线充电系统均得到市场认可。
Anant AGARWAL 1

Anant AGARWAL
 
美国俄亥俄州立大学教授、IEEE会士Anant AGARWAL通过在线云视频分享了“碳化硅芯片会在 2025-2030 年被电动汽车广泛采用的可能性探讨”主题报告。他表示,SiC 已成功应用于电源和光伏转换器行业,并迅速进入电动汽车市场。碳化硅更高的结温(硅 IGBT 中为 125°C,而碳化硅 MOSFET 中为 175°C)可用于增加功率密度以及减少车辆热管理系统。与类似的 Si 系统相比,更高的电流能力可以为上坡驾驶、加速或转子锁定条件产生更高的电机扭矩。这些都是引人注目的优势,将推动电动汽车采用 SiC 器件,在未来十年内开辟大约 160亿美元的机会。该市场将成为提高 SiC 制造量从而降低成本的关键。目前,碳化硅器件的成本主要是碳化硅衬底和外延,主要是因为在这些领域的专业知识有限,只有极少数组织。随着新参与者被高需求和潜在商业案例吸引进入市场,这些成本将大幅下降。正如 Agarwalet al所示,未来5年,随着 200 mm SiC 的出现,SiC 成本将接近每安培 Si 成本的30%。这假设与相同尺寸的 Si 晶片相比,每个 SiC 晶片的衬底和外延价格有非常温和的降低,以及越来越高的总电流能力。
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第三代半导体已成为半导体前沿技术制高点,是支撑 “新基建”和”中国制造2025“的”核芯“,对国家经济发展、产业转型升级、国防安全具有重要战略意义。中国电子科技集团公司第四十八研究所 半导体装备研究部副主任巩小亮分享了”SiC功率器件制造工艺特点与核心装备创新进展”主题报告。他介绍,中国电科48所第三代半导体装备产业布局优势明显,SiC外延生长设备方面,在国内率先开发出碳化硅器件制造关键装备,并形成成套应用态势。截至2020年,SiC设备已在生产线应用/签订合同逾20台套,意向合同多台套。6英寸单片式机型满足厚外延、高均匀、低缺陷等工艺发展需求;SiC高温高能离子注入机,注入能量、束流、均匀性、稳定性和产能持续提升,批量应用。SiC高温激活炉满足量产要求,小批量应用,片内/片间方阻均匀性≤1.5%。SiC高温氧化炉栅氧厚度均匀性优于2%,界面电子迁移率稳定在20cm2/Vs以上,生产出的1200V/ 80mΩ MOSFET器件进入下游用户可靠性测试阶段。LPCVD、PVD等Si基通用设备向第三代半导体芯片制造生产线快速渗透;立式LPCVD定制设计:标准8寸机型改兼容6寸,相比卧式LPCVD效果更优;已通过多晶硅栅等工艺的在线批产验证。
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大连理工大学王德君教授现场分享了“SiC MOS器件氧化后退火新途径--低温再氧化退火技术 ”主题报告。分享了在SiC MOS器件制作过程当中栅氧氧化后处理的一道工序,在栅氧和半导体之间界面会形成大量的缺陷,包括界面的缺陷、固定的电荷、栅氧内部的缺陷、可动离子等不理想因素,尤其是界面的缺陷和近界面处的缺陷会对器件的沟道迁移率会产生影响,近界面的缺陷和电荷会对器件性能的稳定性造成影响。报告中介绍了SiC半导体器件制作及可靠性技术领域,一种利用含氯元素的氧化后退火技术改进SiCMOSFET器件性能的方法。通过在氧化中引入氮元素,在退火中引入氯元素,既可以有效消除SiC/SiO2界面附近陷阱,又可以通过氯元素固定SiO2薄膜中的可动离子,从而有效提升SiCMOSFET器件的稳定性。
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与已有技术相比,本发明通过在氧化中引入氮元素,在退火中引入氯元素,既可以有效消除SiC/SiO 2界面附近陷阱,又可以通过氯元素固定SiO 2薄膜中的可动离子,从而有效提升SiC MOSFET器件的稳定性。更重要的是,氮,氢和氯三种元素的最佳处理时间并不相同,通过氧化引入大量的N可以有效的消除陷阱,随后引入的氢和氯元素可以巧妙的调整处理时间,使其既能钝化剩余缺陷以及固定可动离子,同时不会产生对栅氧绝缘层的劣化。
张清纯
主持人:复旦大学特聘教授、上海碳化硅功率器件工程技术研究中心主任张清纯
王显刚
北京北方华创微电子装备有限公司LED及化合物半导体行业发展部总经理王显刚分享了“化合物半导体工艺设备解决方案”主题报告,北京北方华创微电子装备有限公司经过二十年的发展,北方华创已成为国内领先的半导体装备制造与服务商。在化合物半导体领域,NAURA定制开发了化合物半导体刻蚀机、PECVD系统、槽式清洗系统和卧式扩散/氧化系统,为客户提供全面的设备及工艺解决方案。北方华创专注器件工艺研发,包括SiN/GaN 慢速低损伤刻蚀设备,SiC通孔高速刻蚀设备,高致密、低应力的PECVD薄膜沉积设备等均已在国内多条主流生产线上批量应用。在SiC量产线上,应用于SiC功率器件的Etch、PVD、清洗设备、PEVCD、卧式炉等关键工艺设备在国内主流产线上也已大规模应用。国内首台量产型SiC高温氧化退火/高温激活立式炉在客户端实现量产应用;公司的SiC长晶炉已在客户端批量投入使用。
张艺蒙
新能源汽车、高铁机车、智能电网等民用电能转化装置对中高压大功率、高可靠性SiC器件的迫切需求。航天电源系统、辐照探测系统、脉冲功率系统对抗辐照、高功率密度、高可靠性SiC功率器件的迫切需求。西安电子科技大学微电子学院教授张艺蒙分享了“SiC 功率MOSFET器件的可靠性研究”主题报告。报告分享了关于结终端技术、高可靠碳化硅功率器件终端调制技术、低导通电阻技术、高功率密度提升技术与器件的可靠性研究。其中,结终端技术可以缓解主结边缘的电场集中效应,提高击穿效率的同时,降低漏电和面积消耗、降低电荷敏感性。高可靠碳化硅功率器件终端调制技术可提出并实现了单次注入多台阶JTE终端,通过不同厚度Al掩模实现台阶注入,优值注入窗口相比传统结构提升8倍,简化工艺,显着提升工艺可靠性,最终实现了11kV SiC PIN器件。为了修正JTE终端边缘的“尖锐”电场,通过渐变掺杂尾区修正构造出微型多区效应,弱化边界曲率,实现击穿效率高达99%,并极大的提高了器件的高压稳定性。提出了“高频刻蚀”的思路,结合多层掩模多步刻蚀技术,实现了无微沟槽的台面刻蚀形貌,最终获得固化的高稳定性干法刻蚀工艺,利用该工艺获得满足高压稳定性要求的台面终端。经仿真及实验验证,沟槽FLRs终端可有效提升FLRs终端最小间距工艺容限,降低终端面积,可以在不提升工艺复杂度下提高器件可靠性。
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芜湖启迪半导体有限公司研发总监钮应喜分享了“第三代半导体碳化硅器件产业化关键技术及发展进展”主题报告。SiC装置具备提高转换效率、减小能量损耗、增加功率容量、减小体积重量、提高可靠性等应用优势,对于提升效率降低装置损耗,SiC对于提升效率降低装置损耗,实现“碳中和、碳达峰”具有重要意义!碳化硅外延发展至今从理论、设备、工艺技术等方面已经取得很大的进展。理论方面:首先是台阶流模型的提出,其次是引入TCS生长体系,在理论基础上,设备应从硅烷体系发展到了氯基体系,外延设备也陆续实现国产替代;再次就是未来4H-SiC外延生长将向多片式、大尺寸、高均匀性、低缺陷方向发展;最后,为了使器件的性能能够进一步提升,通过外延来实现部分器件结构,主要是开发SiC外延沟槽填充技术,进一步降低器件的导通电阻;在高压应用方面,厚膜生长技术比较滞后,未来需要解决的技术有:厚膜少子寿命,缺陷控制,材料的均匀性。钮应喜博士建议,当前在SiC晶体段,应优化技术,降低成本,加快6英寸产能扩充,突破8英寸技术攻关;在SiC外延领域,应加快8英寸外延生长技术及设备的研制,针对高压领域,突破厚膜外延产业化技术;在芯片端,应加快高端车规级产品的量产技术。
方子文
德国爱思强股份有限公司中国区副总经理方子文分享了“促进宽禁带半导体产业化的关键外延技术”主题报告。他表示,在全球数字化和汽车电气化大趋势背景下,宽禁带半导体材料以其性能优势催生众多市场应用场景,在中短期内被越来越多的消费产品采用。为了在第三代半导体在消费市场取得进一步成功,实现器件的优良性能,外延层的制备至关重要,不仅性能,而且成本和大批量生产能力都将成为关键性因素。方子文博士分析了宽禁带半导体外延批量生产技术的最新进展,包括用于SiC外延的AIX G5 WWC和用于GaN外延的AIX G5+ C批量生产解决方案。AIX G5 WW C MOCVD使用基于经过量产客户验证的AIXTRON行星式反应器平台,并导入全自动化卡匣式(C2C)晶圆传输系统,实现了业内单腔最大片数(8 x 6英寸)及最大产能。它同时提供了灵活的6英寸和4英寸配置,旨在将生产成本压缩到最低,同时保持优良的产品质量。另外,2022年爱思强也将会在市场推出200mm(8英寸)设备。
林挺宇
广东佛智芯微电子技术研究有限公司副总经理,广东省半导体智能装备与系统集成创新中心首席科学家林挺宇分享了“先进封装大板扇出研发及功率器件封装应用”主题报告。他表示,根据Yole的最新预测,在未来五年间,全球先进封装的规模将会达到8.2%的年度复合增长率,而对应的传统封装,则只有2.4%的增长速度。预计到2024年,先进封装的营收规模将能够占据行业营收的50%左右,总体市场规模在2024年达到3052亿元人民币。佛智芯i-FOSATM 工艺特色的优势特点,可概括为三“高”,两“佳”,一“低”。即:高良率,低成本。良率高达99%,成本预期较晶圆级低30%以上;高可靠性,高国产化率。纯铜柱结构,不使用镭射打孔,装备材料国产化率超50%,减少设备依赖,总投入减少30%;兼容性佳,拓展性佳。工艺可全面兼容垂直芯片和单面IO芯片,可拓展成不同材料器件异质集成结构,多芯片封装工艺的最佳解决方案。
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中国科学院微电子研究所系统封装与集成研发中心副研究员侯峰泽分享了“高可靠功率系统集成的发展和挑战”主题报告。不同的需求拉动着电源和热模块的发展。嵌入式元件封装技术可应用于GaN、RF等WBG/ultra-WBG器件。随着对更紧凑的电力电子系统的需求不断增加,功率SiP技术将成为发展趋势之一。嵌入式电源芯片提供了在基板的顶层放置栅极驱动器和无源元件的可能性。 它们也可以与功率器件一起嵌入基板中。具有两相流的单面 MHS 已被证明是高热通量电子设备的有效冷却解决方案。将从应用的角度考虑封装设计和冷却成本之间的权衡分析。
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在诸如结势垒肖特基(JBS)二极管等功率器件应用中,尽可能地降低由导通损耗、开关损耗和关态损耗组成的总功耗至关重要。复旦大学张园览分享了“基于P区反序掺杂策略的高效碳化硅结势垒肖特基二极管的研究”主题报告,为进一步改善器件的综合性能,该研究了一种新的P区反序掺杂策略(RPS)在碳化硅结势垒肖特基二极管的应用,并提出了一个新的优值(FOM, VF×IR×QC)来综合评估4H-SiC JBS二极管表现,基于这种新颖的RPS策略,JBS二极管在室温下实现了VF (1.58 V @20 A)、IR (0.4 霢 @1200 V)和QC (94.3 nC @1200 V,1 MHz)的高效率,定义的FOM指数仅为57.2。更重要的是,我们制备的碳化硅肖特基二极管即使在175 ℃的工作温度下也能保持非常高的器件效率,而不会降低所有这些重要特性。报告提出的P区反序掺杂策略和FOM优值为进一步发展SiC功率器件提供了一种新型器件结构设计思路和有效的评估方法。
 
(内容根据现场资料整理,如有出入敬请谅解)
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