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英飞凌芯片简史
来源: | 作者:pmo9f5254 | 发布时间: 391天前 | 844 次浏览 | 分享到:


IGBT 1234567,看这一篇就够了

话说公元2018年,IGBT江湖惊现第六代和第七代的掌门人,一时风头无两,各路吃瓜群众纷纷猜测二位英雄的出身来历。不禁有好事者梳理了一下英家这些年,独领风骚的数代当家掌门人,分别是:

 

 

 

呃,好像分不清这都谁是谁?

 

呃,虽然这些IGBT“掌门人表面看起来都一样,但都是闷骚型的。只能脱了衣服,做个脏手术。。。

 

像这样,在芯片上,横着切一刀看看。

  

 

好像,有点不一样了。。。

 

故事,就从这儿说起吧。。。

 

史前时代-PT

 

 

PT是最初代的IGBT,它使用重掺杂的P+衬底作为起始层,在此之上依次生长N+ buffer,N- base外延,最后在外延层表面形成元胞结构。它因为截止时电场贯穿整个N-base区而得名。它工艺复杂,成本高,而且需要载流子寿命控制,饱和压降呈负温度系数,不利于并联,虽然在上世纪80年代一度呼风唤雨,但在80年代后期逐渐被NPT取代,目前已归隐江湖,不问世事,英飞凌目前所有的IGBT产品均不使用PT技术。

 

初代盟主——IGBT2

 

 

特征:平面栅,非穿通结构(NPT)

 

NPT-IGBT1987年出山,很快在90年代成为江湖霸主。NPTPT不同在于,它使用低掺杂的N-衬底作为起始层,先在N-漂移区的正面做成MOS结构,然后用研磨减薄工艺从背面减薄到 IGBT 电压规格需要的厚度,再从背面用离子注入工艺形成P+ collector。在截止时电场没有贯穿N-漂移区,因此称为非穿通IGBTNPT不需要载流子寿命控制,但它的缺点在于,如果需要更高的电压阻断能力,势必需要电阻率更高且更厚的N-漂移层,这意味着饱和导通电压Vce(sat)也会随之上升,从而大幅增加器件的损耗与温升。

 

技能:低饱和压降,正温度系数,125℃工作结温,高鲁棒性

 

因为N-漂移区厚度大大降低了,因此Vce(sat)相比PT大大减少。正温度系数,利于并联。

 

名号:DLCKF2CS4…

 

等等,好像混进了什么奇怪的东西!

 

没写错!S4真的不是IGBT4,它是根正苗红的IGBT2,适用于高频开关应用,硬开关工作频率可达40kHz。这一明星产品,至今销路仍然不错。

 

性能飞跃--IGBT3

 

特征:沟槽栅,场截止(Field Stop

 

IGBT3的出现,又在IGBT江湖上掀起了一场巨大的变革。IGBT3的元胞结构从平面型变成了沟槽型。沟槽型IGBT中,电子沟道垂直于硅片表面,消除了JFET结构,增加了表面沟道密度,提高近表面载流子浓度,从而使性能更加优化。(平面栅与沟槽栅技术的区别可以参考我们之前发表过的文章平面型与沟槽型IGBT结构浅析)。

 

纵向结构方面,为了缓解阻断电压与饱和压降之间的矛盾,英家于2000年推出了Field Stop IGBT,目标在于尽量减少漂移区厚度,从而降低饱和电压。场截止(Field StopIGBT起始材料和NPT相同,都是低掺杂的N-衬底,不同在于FS IGBT背面多注入了一个N buffer层,它的掺杂浓度略高于N-衬底,因此可以迅速降低电场强度,使整体电场呈梯形,从而使所需的N-漂移区厚度大大减小。此外,N buffer还可以降低P发射极的发射效率,从而降低了关断时的拖尾电流及损耗。(了解更多NPT与场截止器件的区别请参考:PTNPTFSIGBT的区别)。

 

技能:低导通压降,125℃工作结温(600V器件为150℃),开关性能优化

 

得益于场截止以及沟槽型元胞,IGBT3的通态压降更低,典型的Vce(sat)从第2代的典型的3.4到第3代的2.55V3300V为例)。

 

名号:T3E3L3

 

IGBT3在中低压领域基本已经被IGBT4取代,但在高压领域依然占主导地位,比如3300V4500V6500V的主流产品仍然在使用IGBT3技术。

 

中流砥柱--IGBT4

 

 

IGBT4是目前使用最广泛的IGBT芯片技术,电压包含600V1200V1700V,电流从10A3600A,各种应用中都可以见到它的身影。

 

特征:沟槽栅+场截止+薄晶圆

 

IGBT3一样,都是场截止+沟槽栅的结构,但IGBT4优化了背面结构,漂移区厚度更薄,背面P发射极及N buffer的掺杂浓度及发射效率都有优化。

 

技能:高开关频率,优化开关软度,150℃工作结温

 

IGBT4通过使用薄晶圆及优化背面结构,进一步降低了开关损耗,同时开关软度更高。同时,最高允许工作结温从第3代的125℃提高到了150℃,这无疑能进一步增加器件的输出电流能力。

 

名号:T4E4P4

 

T4是小功率系列,开关频率最高20kHz

 

E4适合中功率应用,开关频率最高8kHz

 

P4对开关软度进行了更进一步优化,更适合大功率应用,开关频率最高3kHz

 

土豪登场--IGBT5

 

土豪金芯片

 

 

特征:沟槽栅+场截止+表面覆盖铜

 

IGBT5是所有IGBT系列里最土豪的产品,别的芯片表面金属化都用的铝,而IGBT使用厚铜代替了铝,铜的通流能力及热容都远远优于铝,因此IGBT5允许更高的工作结温及输出电流。同时芯片结构经过优化,芯片厚度进一步减小。

 

技能:175℃工作结温,1.5V饱和电压,输出电流能力提升30%

 

因为IGBT5表面覆铜,并且在模块封装中采用了先进的.XT封装工艺,因此工作结温可以达到175℃。芯片厚度相对于IGBT4进一步减薄,使得饱和压降更低,输出电流能力提升30%

 

名号:E5P5

 

目前IGBT5的芯片只封装在PrimePACK™里,电压也只有1200V1700V,代表产品FF1200R12IE5FF1800R12IP5

 

 

真假李逵--TRENCHSTOP™5

 

在单管界,有一类产品叫TRENCHSTOP™5。经常听到有人问H5F5S5L5是不是IGBT5?严格意义来讲并不是,虽然名字里都带5,但是H5F5S5这些单管的5系列,属于另外一个家族叫TRENCHSTOP™5。这个家族没有黄金甲加持,基因也和IGBT5不一样。

 

特征:精细化沟槽栅+场截止

 

虽然都叫沟槽栅,但TRENCHSTOP™5长得还是和前辈们大相径庭。它的沟道更密,电流密度更高。在达到最佳操作性能同时,并不具备短路能力。

 

技能:175℃最大工作结温,高开关频率,无短路能力

 

性能和短路,永远是一对矛盾体。为了追求卓越的性能,TRENCHSTOP™5牺牲掉了短路时间。TRENCHSTOP™5可以根据应用目的不同,取得极低的导通损耗,或者极高的开关频率,开关频率最高可达70~100kHz,而导通压降最低可低至1.05V

 

名号:H5F5S5L5

 

TRENCHSTOP™5目前只有650V的器件,并且都是分立器件。这一系列产品针对不同的应用进行了通态损耗和开关损耗的优化。其中H5/F5适合高频应用,L5导通损耗最低。TRENCHSTOP™5各个产品在折衷曲线上的位置如下图所示。

 

 

 

后起之秀--IGBT6

 

6掌门虽然和4掌门之间隔了个5,但6其实是4的优化版本,依然是沟槽栅+场截止。IGBT6目前只在单管中有应用。

 

特征:沟槽栅+场截止

 

器件结构和IGBT4类似,但是优化了背面P+注入,从而得到了新的折衷曲线。

 

技能:175℃最大工作结温,Rg可控,3us短路

 

IGBT6目前发布的有2个系列的产品,S6导通损耗低,Vce(sat) 1.85V; H6开关损耗低,相比于H3,开关损耗降低15%

 

名号:S6,H6

 

IGBT6只有单管封装的产品,例如:IKW15N12BH6IKW40N120CS6,封装有TO-247 3pinTO-247 plus 3pinTO-247 plus 4pin

 

 

 

万众瞩目--IGBT7

 

 

 

IGBT经数代,厚积薄发,2018年终于迎来了万众瞩目的IGBT7

 

特征:微沟槽栅+场截止

 

虽然都是沟槽栅,但多了一个微字,整个结构就大不一样了。IGBT7沟道密度更高,元胞间距也经过精心设计,并且优化了寄生电容参数,从而实现5kv/us下的最佳开关性能。

 

更多IGBT7信息,请参考:1200V IGBT7Emcon7可控性更佳,助力提升变频器系统性能

 

技能:175℃过载结温,dv/dt可控

 

IGBT7 Vce(sat)相比IGBT4降低20%,可实现最高175℃的暂态工作结温。

 

名号:T7,E7

 

代表产品有:FP25R12W1T7T7专为电机驱动器优化,可以实现5kv/us下最佳性能。E7应用更广泛,电动商用车主驱,光伏逆变器等。

 

一张表看懂IGBT1234567

 

 

 

 

有道是,

江山代有才人出,各领风骚没两年。

7已经羽翼渐丰,独挡一面,

8还会远吗?

 

让我们拭目以待吧!

  

 

关于英飞凌

英飞凌设计、开发、制造并销售各种半导体和系统解决方案。其业务重点包括汽车电子、工业电子、射频应用、移动终端和基于硬件的安全解决方案等。

 

英飞凌将业务成功与社会责任结合在一起,致力于让人们的生活更加便利、安全和环保。半导体虽几乎看不到,但它已经成为了我们日常生活中不可或缺的一部分。不论在电力生产、传输还是利用等方面,英飞凌芯片始终发挥着至关重要的作用。此外,它们在保护数据通信,提高道路交通安全性,降低车辆的二氧化碳排放等领域同样功不可没。


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