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中科院微电子所IGBT芯片研制:80后的跨越

编辑:宁波东响测控系统有限公司  字号:
摘要:中科院微电子所IGBT芯片研制:80后的跨越
中科院微电子所超高压绝缘栅双极晶体管(IGBT)芯片的年轻研究团队紧张而期待。由他们设计的一款IGBT芯片,在合作伙伴——上海华虹NEC电子有限公司的工艺线上流片完成,要进行超高压测试。

之所以紧张,是因为他们没有像国外科研机构或企业那样拾级而上,而是从1700伏直接向6500伏阻断电压冲刺。这次巨大的技术性跳跃,不仅考量着他们的能力,也考量着中国集成电路的工艺基础。

不久前,测试结束,他们的产品阻断电压达到了7100伏以上。上海华虹NEC当即向外界宣布:“这标志着国内自主知识产权的高压高功率IGBT芯片,从设计研制到工艺开发的整体贯通,又上了一个新的台阶。”

“80后”的使命和机遇

“研制IGBT的最大难点在设计和工艺。”1980年出生的高个子领队朱阳军说。

朱阳军介绍,IGBT芯片针对不同的应用领域,按阻断电压等级进行分类。其中,6500伏系列是目前市场中电压等级最高的产品,世界上只有欧洲、日本的极少数厂商拥有相关技术和生产能力。虽然从器件结构设计到制造工艺有很多难点,但其中最主要的难点是如何使阻断电压达到6500伏以上。

对他们而言,设计这样的超高压芯片,可谓困难重重。

首先,国内IGBT芯片制造工艺基础相对薄弱,且落后国外很多;其次,国内从事IGBT芯片研制的人员稀缺,有经验的工程师甚少;其三,电压越高,设计难度越大,而仿真软件中的模型准确性也是一个问题,且设计周期会越来越长,终端设计会更加复杂困难;此外,设计与工艺需完美结合,同样的设计在不同的生产线上会有不同的结果。

朱阳军永远记得中科院微电子所所长叶甜春的一句话,“青年人要敢于担当,要有责任感和使命感”。

那么,在微电子所,他们这一代人的使命是什么呢?

IGBT器件在电网、轨道交通、工业变频、新能源、电动车、家用电器等关系国计民生的领域都有着广泛应用,中国市场对IGBT的需求量全球最大,每年保持着高速增长态势。然而,中国的IGBT器件几乎全部依赖进口。

“研制中国自主知识产权的IGBT芯片,就是这个团队的重大使命之一。”叶甜春说。

叶甜春介绍,因关乎国计民生,自2007年开始,国家逐渐加大对该领域的研发支持。科技部、发改委、工信部等部门陆续加大科研和产业化投入,尤其2010年国家实施“极大规模集成电路制造装备与成套工艺”重大科技专项,重拳出击,对整个电力电子产业从原材料、芯片制造、模块封装三大关键环节给予强力支持。

中科院微电子所硅器件与集成技术研究室由此迎来新的拓展机遇。

该研究室主任韩郑生介绍,早在2002年前后,实验室即与上海通用合作,开展了1200伏IGBT的相关研究;2007年,研究所设立了专项资金,用于非穿通型(NPT)IGBT的开发;到2010年国家大力支持这项研究时,研究室立即将IGBT方向从功率器件组剥离出来,组建了新的IGBT项目组。

“项目组当时只有两三人,但经过两年的发展,现在已有近30人。这些新人,都是国内自己培养的‘80后’硕士或博士。”韩郑生说。

勇气缘于积淀

“年轻人基本没有任何设计经验,需要学习IGBT器件最基本的结构、原理、特性,以及仿真设计软件。这期间,多亏有经验的前辈传、帮、带。虽然年轻人学习周期很短、强度很大,但真有一些人从中脱颖而出。”朱阳军说。

2010年下半年,朱阳军与组员讨论后,作出了当时许多人无法理解的一个决定:联合华虹NEC进军沟槽栅IGBT设计。

沟槽栅是超高压芯片领域最先进的设计理念,相比以往的平面栅,有很多性能和经济上的优势,可大幅提高芯片市场竞争力,代表着IGBT产业未来发展的主要技术趋势。

但此前,团队里没有任何人接触过沟槽栅,即便国内其他科研机构也没有成功开发的先例。

2010年8月,IGBT小组开始啃这块硬骨头。第一轮设计沟槽栅,他们整整花了2个月。大家在计算机上反复计算、模拟,确保每一个环节的精准。

2010年11月,由他们设计完成的芯片,在上海华虹NEC首轮流片时,静态参数达到设计要求。2010年底,他们启动1700伏沟槽栅IGBT的设计。3个月后,流片结果又通过测试,产品静态和动态参数均达标。

经过几轮合作,微电子所青年团队和华虹NEC团队之间已十分了解和信任。当朱阳军看到华虹的优越工艺基础和实力之后,又一个大胆的设想产生了:凭借华虹NEC现有的工艺能力,采用国际最先进的设计技术,将芯片电压直接提升几个台阶。

经过与华虹工艺师反复磋商和沟通,2011年7月,设计研究小组把准备在2013年才展开的6500伏IGBT研发计划提前实施。

这一决定,直接跨越2500伏、3300伏、4500伏的3个技术台阶,并采用了国际最先进的被称为“场截止”(FS)的技术。

韩郑生认为,“尽管从平面栅到沟槽栅的设计理念完全不同,从1700伏直接到6500伏,从非穿通型(NPT)到场截止型(FS)有着巨大的跨越,但微电子所的历史积淀和文化氛围,给了年轻人开拓创新的深厚根基和拼搏向上的源动力”。

“所长要求我们,要做企业没有想到或看到的,帮企业做他们不能做到的。我们要根据国家需求,努力尝试跨越。”朱阳军说。

跨越了技术障碍,微电子所的青年团队意气风发。目前,他们正满怀期待自主知识产权的IGBT芯片全系列产品,早日实现产业化。
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