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英飞凌Infineon/EUPEC IGBT芯片技术介绍

IGBT 是绝缘门极双极型晶体管(Isolated Gate Bipolar Transistor)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,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/EUPEC IGBT 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 (1988 1995)
 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。
PT-IGBT 结构图
 图 1.1 PT-IGBT 结构图
PT 型 IGBT 是在厚度约为 300-500μm 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 1200V 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 NPT-IGBT 概念。由于随着 IGBT 耐压的提高,如电压 VCE≥1200V,要求 IGBT 承受耐压的 基区厚度 dB>100μm,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 NPT-IGBT 产品。西门子的 NPT-IGBT 在全电流工作区范围内具有饱和压降正温度 系数,具有类 MOSFET 的输出特性。
NPT-IGBT 结构图
图 1.2 NPT-IGBT 结构图
西门子/EUPEC IGBT2 最典型的代表是后缀为“DN2”系列。如 BSM200GB120DN2。 “DN2”系列最佳适用频率为 15KHz-20KHz,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 1KHz - 8KHz 。 “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“KS4”系列。“KS4”系列是在“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 15KHz-30KHz。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(fK≥20KHz)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,EUPEC IGBT 模块中“DN2”、“DLC”、“KS4”采用 NPT 工艺,平面栅结构,是第二 代 NPT-IGBT。
三、IGBT3 IGBT3-沟槽栅(Trench Gate) 在平面栅工艺中,电流流向与表面平行时,电流必须通过栅极下面的 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/EUPEC 1200V IGBT3 饱和压降 VCE(sat)=1.7V。电场终止层(Field Stop)技术是吸收了 PT、NPT 两类器件的优点。 在 FS 层中其掺杂浓度比 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 可以明显减薄(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 单晶硅中(没有外延)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,工 艺难度较大。
沟槽栅+FS IGBT 结构图
图 1.3 沟槽栅+FS IGBT 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 1K -8KHz。1200V IGBT 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“KE3”系列代替“DLC”系列的工作。在“KE3”的基础上,采用 浅沟槽和优化“FS”层离子注入浓度、厚度以及集电区掺杂浓度等,又开发出高频系列,以 后缀“KT3”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 8KHz-15KHz 的应用场合。在开关频率 fK ≥8KHz 应用中,“KT3”比 “KE3”开关损耗降低 20%左右。Infineon/EUPEC 600V 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 175℃。 Infineon/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 1200V NPT- IGBT 芯片 厚 度 约 为 200μm , IGBT3 后 缀 为 “KE3”的,厚度为 140μm 左右;后缀为“KT3”芯片厚度进一步减薄到 120μm 左右;600V IGBT3 其芯片厚度仅为 70μm 左右,这样薄的晶片,加工工艺难度较大。Infineon 在超薄晶片加 工技术方面在全球处于领先地位。 总之,Infineon/EUPEC IGBT3 采用了当今 IGBT 的最新技术(沟槽栅+电场终止层), 是目前最优异的 IGBT 产品,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 IGBT 技术。Infineon/EUPEC 称之为第三代,正如在其型号中的电流标称一样,总是按 TC= 80℃来标称,让产品来说话,让用户来评判。
EUPEC 三代 IGBT 芯片技术对比
图 1.4 EUPEC 三代 IGBT 芯片技术对比
NPT/FS IGBT 芯片主要优点
图 1.5 NPT/FS IGBT 芯片主要优点
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