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英飞凌芯片简史

英飞凌芯片简史


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“芯”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-IGBT于1987年出山,很快在90年代成为江湖霸主。NPT与PT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”型IGBT。NPT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:DLC,KF2C,S4…


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 Stop)IGBT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:PT,NPT,FS型IGBT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2.55V(3300V为例)。


名号:T3,E3,L3


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3300V,4500V,6500V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600V,1200V,1700V,电流从10A到3600A,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


和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:T4,E4,P4


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:E5,P5


目前IGBT5的芯片只封装在PrimePACK™里,电压也只有1200V,1700V,代表产品FF1200R12IE5,FF1800R12IP5。


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H5、F5、S5、L5是不是IGBT5?严格意义来讲并不是,虽然名字里都带5,但是H5、F5、S5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:H5,F5,S5,L5


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:IKW15N12BH6,IKW40N120CS6,封装有TO-247 3pin,TO-247 plus 3pin,TO-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 IGBT7和Emcon7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:FP25R12W1T7。T7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!



文章转载自公众号“英飞凌工业半导体”,仅供交流学习之用,如有任何疑问,敬请与我们联系Wendy.fan@igbt-leader.com




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