英飞凌各代IGBT模块技术详解.doc

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1、英飞凌各代IGBT模块技术详解IGBT是绝缘门极双极型晶体管（IsolatedGateBipolarTransistor）的英文缩写。它是八十年代末，九十年代初迅速发展起来的新型复合器件。由于它将MOSFET和GTR的优点集于一身，既有输入阻抗高，速度快，热稳定性好，电压驱动（MOSFET的优点，克服GTR缺点）；又具有通态压降低，可以向高电压、大电流方向发展（GTR的优点，克服MOSFET的缺点）等综合优点，因此IGBT发展很快，在开关频率大于1KHz，功率大于5KW的应用场合具有优势。随着以MOSFET、IGBT为代表的电压控制型器件的出现，电力电子技术便从低频迅速迈入了高频电力电子阶段，

2、并使电力电子技术发展得更加丰富，同时为高效节能、省材、新能源、自动化及智能化提供了新的机遇。英飞凌/EUPECIGBT芯片发展经历了三代，下面将具体介绍。一、IGBT1平面栅穿通（PT）型IGBT（19881995）西门子第一代IGBT芯片也是采用平面栅、PT型IGBT工艺，这是最初的IGBT概念原型产品。生产时间是1990年1995年。西门子第一代IGBT以后缀为“DN1来区分。如BSM150GB120DN1。11GEGSiOC图1.1PT-IGBT结构图PT型IGBT是在厚度约为300500卩m的硅衬底上外延生长有源层，在外延层上制作IGBT元胞。PT-IGBT具有类GTR特性，在向120

3、0V以上高压方向发展时，遇到了高阻、厚外延难度大、成本高、可靠性较低的障碍。因此，PT-IGBT适合生产低压器件，600V系列IGBT有优势。二、IGBT2第二代平面栅NPT-IGBT西门子公司经过了潜心研究，于1989年在IEEE功率电子专家会议（PESC）上率先提出了NPTIGBT概念。由于随着IGBT耐压的提高，如电压VCE1200V,要求IGBT承受耐压的基区厚度dB100um在硅衬底上外延生长高阻厚外延的做法，不仅成本高，而且外延层的掺杂浓度和外延层的均匀性都难以保证。1995年，西门子率先不用外延工艺，采用区熔单晶硅批量生产NPTIGBT产品。西门子的NPT-IGBT在全电流工作区

4、范围内具有饱和压降正温度系数，具有类MOSFET的输出特性。tGfEGso2图1.2NPT-IGBT结构图西门子/EUPECIGBT2最典型的代表是后缀为“DN系列。女口BSM200GB120DN2。“DN2系列最佳适用频率为15KHZ20KHZ，饱和压降VCE（sat）=2.5V。“DN2系列几乎适用于所有的应用领域。西门子在“DN2系列的基础上通过优化工艺，开发出“DLC系列。“DLC系列是低饱和压降，（VCE（sat）=2.1V）,最佳开关频率范围为1KHz8KHz。“DLC系列是适用于变频器等频率较低的应用场合。后来Infineon/EUPEC又推出短拖尾电流、高频“KS係列。“KS係

5、列是在“DN2的基础上，开关频率得到进一步提高，最佳使用开关频率为15KHZ30KHZ。最适合于逆变焊机，UPS，通信电源，开关电源，感应加热等开关频率比较高（fK20KHz的应用场合。在这些应用领域，将逐步取代“DN2系列。EUPEC用“KS4芯片开发出H桥（四单元）IGBT模块,其特征是内部封装电感低，成本低，可直接焊在PCB版上(注：这种结构在变频器应用中早已成熟，并大量使用)。总之，EUPECIGBT模块中“DN2”“DLG”“KS采用NPT工艺，平面栅结构，是第二代NPT-IGBT。三、IGBT3IGBT3沟槽栅(TrenchGate)在平面栅工艺中，电流流向与表面平行时，电流必须通

6、过栅极下面的p阱区围起来的一个结型场效应管(JFET)，它成为电流通道的一个串连电阻，在沟槽栅结构中，这个栅下面的JFET通过干法刻蚀工艺消除了，因此形成了垂直于硅片表面的反型沟道。这样IGBT通态压降中剔除了JFET这部分串联电阻的贡献，通态压降可大大降低。Infineon/EUPEC1200VIGBT3饱和压降VCE(sat)=1.7V电场终止层(FieldStop)技术是吸收了PT、NPT两类器件的优点。在FS层中其掺杂浓可以明显减度比PT结构中的n+缓冲层掺杂浓度低，但比基区n层浓度高，因此基区单晶硅薄(可以减薄1/3左右)，还能保证饱和压降具有正温度系数。由于仍然是在区熔中(没有外延

7、)制作FS层，需进行离子双注入，又要确保饱和压降的正温度系数,难度较大。冬晶硅ESiO?p11C图1.3沟槽栅+FSIGBT结构图EUPEC第三代IGBT有两种系列。后缀为“KE3的是低频系列，其最佳开关频率为1K8KHz。1200VIGBT饱和压降VCE(sat)=1.7V，最适合于变频器应用。在变频器应用中，北京晶川公司在中国已完成用“KE系列代替“DLC系列的工作。在“KE的基础上，采用浅沟槽和优化“FSf离子注入浓度、厚度以及集电区掺杂浓度等，又开发出高频系列，以后缀“KT为标志。EUPEC“KT3系列在饱和压降不增加的情况下，开关频率可提高到15KHz，最适合于8KHz15KHz的应

8、用场合。在开关频率fK8KHz应用中，“KT3比“KE3开关损耗降低20%左右。Infineon/EUPEC600V系列IGBT3后缀为“KE3；是高频IGBT模块，开关频率可达到20KHz，饱和压降为1.50V，最高工作结温可高达175CInfineon/EUPEC第三代IGBT，采用了沟槽栅及电场终止层（FS）两种新技术，带来了IGBT芯片厚度大大减薄。传统1200VNPT-IGBT芯片厚度约为200卩m,IGBT3后缀为“KE3勺，厚度为140卩m左右；后缀为“KT3”片厚度进一步减薄到120卩m左右；600VIGBT3其芯片厚度仅为70卩m左右，这样薄的晶片，加工工艺难度较大。Infi

9、neon在超薄晶片加工技术方面在全球处于领先地位。IGBT3采用了当今IGBT的最新技术（沟槽栅+电场终止层），品，有些电力半导体厂家称这些技术为第五代，甚至称之为第八代EUPEC称之为第三代，正如在其型号中的电流标称一样，总是按产品来说话，让用户来评判。总之，Infineon/EUPEC是目前最优异的IGBT产IGBT技术。Infineon/TC=80C来标称，让eupSEIGBTChipTechnologiesPaunchThroujrtEmitteifns.宮.NonPunchThroughmm*-mASrrench-F.ieid-StepEnntt-ft*trrHe-儒ub口雲酬IGB

10、T-Gwn_onHighlyP-dopedSubstrateWaferz182OpbmiedRearSurface Fasterswitch-on LowerSwtcfiingLoss-improvedRuggednessR-basi；sTteCollvitorTrenchFSimprovedInjectionofElectronsbTrenchGate&ReductionofChipThrcknesswrtnFeld-stopTecMnoiogyLowerConductiontossLoerSwitchnglossRobustlikeMPT图1.4EUPEC三代IGBT芯片技术对比Advan

11、tagesofNPT/FSChipsELipECEasyParallelingofChips&ModulesPositivetemperaturecoefficientforVcesathertcenothermalrun-awayFastSwitchingLowTailCurrent(60%lesstailcharge)LowSwitchoffLassHighRuggednessLimitingshort-circuitcurrentbychipitselfnpt：(6-3)*ic_nomFS:4xlc_nom(Vge-15VJTimeofwithstanding:10is.rAlltupt

12、cIGBTmcduiesuseInfintonIGBTchips,wiiicharcNF*TorTrenchF$chips,AIGBT(ilpsusedbyeupecmodulehaveverydoseddistributionofVce_sat尸eut：已匚doesnotperformchipselectionfoiparallebngofchrps.NoadditionaletectranicsDuittinthechip首forlimitingsrt-circuitcurrent图1.5NPT/FSIGBT芯片主要优点四、EUPECIGBT模块中IGBT及续流二极管芯片特征参数EUPEC

13、IGBT模块全部采用西门子/InfineonIGBT芯片，从型号中的后缀来区分，用户应根据不同的开关频率范围来选用相应的IGBT模块。EUPECpanvkrariibeupec1、EUPEC600V系列IGBT模块芯片特征参数LjwL-uwki*右CLCf甘*FfmrtiK13TuhriclogPIRTrIGBTJ7f8*e惟FC5nion#ErIWi-ViM2匚1JW1.*H?rc：SwimiiwTr*qurKV&KPlr-J*MbJ(*LHrTvrnM三-b-C1Tvaprna-H=毗JCChipTechnologiesfor60汕Modules图1.6EUPEC600V系列IGBT模块芯

14、片特征参数注：600V“DL和“KE是高频器件，可工作在20KHZ;“KE3最高结温可达175C。EUPEC2、EUPEC1200VIGBT模块芯片特征参数：JX.*nVt|l41RT39UBnciPLOTChipTechnoloqiesfor1200VModulesEUpet1Sldndniridl2Gen,DN2/KF4Lw2Gfi-DLC；K.4CShanTJi|2Gni.KS4_rFnchFSFnenrhFSnKE3KT3TfrchnclocyMPTelliiwrL.wIcAJnfi“kwn回HPTDbMbWG.笊第riGqj&nrjiIraicF-卜14T#Ed|：wMlrJHW14

15、們nqhfaqiscy-BTW5*C3.1*117IS(Ci.i9Jl.c3_0i1M01Sf&iCwiGALIEttCrbnOHiCEnnCflFant/CML)=：nCgm-HEl&TCcirFflSIEnC-HEDiddeVr(viZ5C23t.eJL?125X1.Bij1Tt51用IbiullRequenc0V1iLH?卸曲akMp1.ALh?KH3)卧日皿幣lip0睜DDAMedjLMWto3D-3A 图1.7EUPEC1200VIGBT模块芯片特征参数注：晶川公司将逐步推广“KS芯片以替代“DN2芯片，用于逆变电焊机，UPS，通信电源，开关电源等开关频率大于15KHZ的应用领域；晶

16、川公司已完成在变频器等开关频率fK10KHz的应用领域，用“KE3代替“DLC系列;对于fKri3h沿4|lwH3IH*2hMfkHi-图1.8EUPEC1700VIGBT模块芯片特征注：随着器件耐压的增高，IGBT的开关频率相应下降，推荐表中仅仅是最佳使用频率范围，若选择额定电流大一些的器件，也可在较高频率中使用；1700V系列，根据电流不同，可提供“DN2;“DLC/“KF6CB2;“KE3等三种芯片的IGBT模块；“KF4或“KF6CB2是指EUPEC大功率（IHM）模块后缀。EUPECpiMH-eti.loiKAinIIWlMeupe匚4、EUPEC3300VIGBT模块芯片特征：Ch

17、ipTechnologiesfar3300VModulessiandaKlr*GarKF2LwvfW严on*KL2Tenhoio(jyKPT蚌wyi?li孰口卜ipcnlilajFDnrTVXIGBT3411491tEnCcr=rnCn2will-dMap29CIJVr(V)125C2.Bt.1Stvitching-frquncyEM14s4kl4klkDCD3-ITTiaipfjVDdDCii冷t)FlTV=22J0V图1.9EUPEC3300VIGBT模块芯片特征注：除FF200R33KF2C夕卜，所有EUPECIHV，电压大于2500V耐压的IGBT模块，均受欧洲出口限制，需办理最终用途证明，不能用于军事目的。