IGBT芯片及模块的发展VIP免费

1.引言全球能源危机及气候变暖的威胁使人们在追求经济发展的同时越来越重视绿色环保，节能减排。电力电子是节能减排的王牌技术，从电能产生、电能传输、电能使用到电能管理，渗透到工业、交通、通信、能源等各个领域，发挥着举足轻重的作用。电力电子器件是电力电子装置和系统的“绿色的芯”。目前我国新型的电力电子器件主要代表是IGBT、VDMOS和FRED等高频器件，而新材料的电力电子器件的主要代表是SiC及GaN器件。本文重点针对IGBT发展历史、现状、新结构、新材料及其新封装技术做一些阐述。是节能减排的王牌器件作为新型高频大功率电力半导体器件代表的IGBT自1982年问世以来，在国民经济的各行各业得到的广泛的应用：如工业领域中的电机变频调速、逆变焊机、各种开关电源等;家用电器中的变频空调、洗衣机和电冰箱等;交通领域的动车、轻轨和地铁等;新能源领域中的光伏逆变、风能变流和电动汽车等;还包括医学、智能电网、航天航空及军事领域。仅以汽车引擎系统、电机的调速驱动和节能灯电子镇流器为例，在过去的20年时间内，由于在这些电力电子装备中采用了IGBT器件，如表1所示，为美国用户累计节省了万亿美元，减少了35万亿磅的二氧化碳排放;如表2所示，为全球客户累计节省了万亿美元和减少了78万亿磅的二氧化碳排放［1］。可见，IGBT器件对节能减排做出的巨大贡献，对世界经济的可持续发展的产生了巨大而深远的影响。3.IGBT的发展历史及国内外现状IGBT的发展历史IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)即绝缘栅双极晶体管，是一种复合了BJT优点的功率MOS型器件，它既具有功率MOSFET的高速开关和电压驱动特性，又兼具有双极型晶体管的低饱和压降特性及承载较大电流能力的特点，且具有高耐压能力。由于其优良的综合性能，自问世以来，引起了世界许多半导体厂家和研究者的重视，国际上各大半导体公司都投入巨资开发IGBT器件。自IGBT研制成功以来，随着工艺技术不断改进和提高，电性能参数和可靠性日趋完善。口o以英飞凌公司IGBT为例，回顾IGBT芯片发展轨迹，如图1所示。最早出现的是平面栅穿通(PT)型IGBT，这时期的IGBT电压还比较低(600-1200V左右)，基区厚度通常在几十微米到一百多微米，采用的是N型厚外延层。需要采用重金属掺杂和电子辐照少数载流子寿命控制技术，以提高器件的开关速度;具有负温度系数，因此不利于器件的并联使用，而且器件的短路能力较差。英飞凌的第一代IGBT直接从非穿通(NPT)型IGBT开始，在这一时期，IGBT产品不断向高压化发展，采用了电阻率高的FZ(区熔)单晶替换了昂贵的外延片，使得晶体完整性和均匀性得到充分满足。在硅片背面用注入和退火的方法可以形成发射效率较低的P型层。NPT结构的采用使得IGBT几乎在全电流范围的工作区内都是呈现正电阻温度系数，便于器件并联使用，而且这使NPT的制造成本大幅度降低，约为PT型的3/4。英飞凌第二代IGBT在N型漂移区引入了电场阻断(Field-Stop)层。其硅片厚度比NPT型器件薄约1/3,并且它保持了正电阻温度系数的优点。FS型结构设置的N型缓冲层掺杂浓度比PT结构的N+层低，但比基区N层浓度高，电场在其中的分布呈斜角梯形。由于较薄的漂移层中的过剩载流子减少，IGBT在关断时没有拖尾电流。上述三种类型IGBT在通态损耗、开关损耗、并联应用及短路能力上的比较如表3所示。第三代IGBT是在FS-IGBT的基础上引入沟槽栅，这是当前国外半导体厂商普遍采用的结构组合，栅极采用了沟槽技术，工作电流从N漂移区(基区)直接流进垂直沟道而进入源区，于是，这种IGBT的通态压降消除了JFET区域串联电阻的影响，优化了器件表面的载流子分布，改善了器件的导通特性和电流密度。第四代IGBT是在第三代的基础上，通过优化电场阻挡层的厚度和浓度的方法，进一步减小通态压降，减小开关损耗，增加开关软度，扩展器件安全工作区的面积，而短路电流能力同第三代。英飞凌各代IGBT产品技术曲线比较如图2所示，各代产品也针对应用市场不同分为高功率(P)、中功率(E)和低功率(T)。可以看出第四代低功率IGBT(T4)最接近原点，其开关损耗与T3和E4相比，减小了20%左右。英飞凌正在开发第五代、第六代，主要侧重点放在结温的提升、动态钳制的改善［2］，及可靠...