电子器件系列二：IGBT

 

IGBT是绝缘栅双极型晶体管（Isolated Gate Bipolar Transistor）,它是八十年代初诞生，九十年代迅速发展起来的新型复合电力电子器件。IGBT将MOSFET与GTR的优点集于一身，既有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、电压驱动型，又具有通态压降低、高电压、大电流的优点。因此，IGBT的新技术、新工艺不断有新的突破；应用频率硬开关5KHz～40KHz，软开关40KHz～150KHz；功率从五千瓦到几百千瓦的应用场合。IGBT器件将不断开拓新的应用领域，为高效节能、节材，为新能源、工业自动化(高频电焊机, 高频超声波, 逆变器, 斩波器, UPS/EPS, 感应加热)提供了新的商机。为了使初次使用者正确用好IGBT模块，最大限度地发挥IGBT模块的作用，以下是最基本的使用说明。

　　㈠ 依据装置负载的工作电压和额定电流以及使用频率,选择合适规格的模块。用户使用模块前请详细阅读模块参数数据表，了解模块的各项技术指标；根据模块各项技术参数确定使用方案，计算通态损耗和开关损耗，选择相匹配的散热器及驱动电路。
　　㈡ IGBT模块的使用
　　　1．防止静电 IGBT是静电敏感器件，为了防止器件受静电危害，应注意以下两点：
　　　　① IGBT模块驱动端子上的黑色海绵是防静电材料，用户用接插件引线时取下防静电材料立即插上引线；在无防静电措施时，不要用手触摸驱动端子。
　　　　② 驱动端子需要焊接时，设备或电烙铁一定要接地。
　　　2．选择和使用
　　　　① 请在产品的最大额定值（电压、电流、温度等）范围内使用，一旦超出最大额定值，可能损坏产品，特别是IGBT外加超出VCES的电压时可能发生雪崩击穿现象从而使元件损坏，请务必在VCES的额定值范围内使用！工作使用频率愈高,工作电流愈小；源于可靠性的原因，必须考虑安全系数。如果使用前需要测试请务必使用适当的测试设备，以免测试损坏（特别是IGBT和FRED模块需要专业的测试设备，请勿使用非专业的设备测试其电压的最大值）。
　　　　② 驱动电路：由于IGBT Vce(sat) 和短路耐量之间的折衷关系，建议将栅极电压选为 +VG=14～15V，-VG=5～10V，要确保在模块的驱动端子上的驱动电压和波形达到驱动要求； 栅极电阻Rg与IGBT 的开通和关断特性密切相关，减小Rg值开关损耗减少，下降时间减少，关断脉冲电压增加；反之，栅极电阻Rg值增加时，会增加开关损耗，影响开关频率；应根据浪涌电压和开关损耗间最佳折衷(与频率有关)选择合适的Rg 值，一般选为5Ω至100Ω之间。为防止栅极开路，建议靠近栅极与发射极间并联20K～30KΩ电阻。驱动布线要尽量短且采用双绞线；在电源合闸时请先投入驱动控制部分的电源，使其驱动电路工作后再投入主电路电源。
　　　　③ 保护电路：IGBT 模块使用在高频时布线电感容易产生尖峰电压，必须注意减少布线电感和元件的配置，应注意以下保护项目：过电流保护、过电压保护、栅极过压及欠压保护、安全工作区、过温保护。
　　　　④ 吸收电路： 由于IGBT开关速度快，容易产生浪涌电压，必须设有浪涌钳位电路。
　　　　⑤ 并联使用： 应考虑栅极电路、线路布线、电流不平衡和器件之间的温度不平衡等问题。
　　　　⑥ 使用时请避开产生腐蚀气体和严重尘埃的场所。
　　　㈢IGBT 安装
　　　　① 散热器应根据使用环境及模块参数进行匹配选择，以保证模块工作时对散热器的要求。
　　　　② 散热器表面的光洁度应小于10mm，每个螺丝之间的平面扭曲小于10mm。为了减少接触热阻，推荐在散热器与模块之间涂上一层很薄的导热硅脂，模块均匀受力后,从模块边缘可看出有少许导热硅脂挤出为最佳。
　　　　③ 模块安装在散热器上时，螺钉需用说明书中给出的力矩拧紧。力矩不足导致热阻增加或运动中出现螺钉松动。力矩过大可能损坏模块外壳或是破坏模块绝缘；
　　　　④ 仅安装一个模块时，装在散热器中心位置，使热阻效果最佳。
　　　　⑤ 安装几个模块时，应根据每个模块发热情况留出相应的空间，发热大的模块应留出较多得空间。
　　　　⑥ 两点安装紧固螺丝时，先依次紧固额定力矩的1/3，然后反次达到额定力矩。
　　　　⑦ 四点安装和两点安装类似，IGBT长的方向顺着散热器的纹路。紧固螺丝时，依次对角紧固1/3额定力矩，然后反次达到额定力矩。
　　　　⑧ 使用带纹路的散热器时，IGBT长的方向顺着散热器的纹路，以减少散热器的变形。两只模块在一个散热器上安装时，短的方向并排摆放，中间留出足够的距离，主要是风机散热时减少热量迭加，容易散热，最大限度发挥散热器的效率。二是模块端子容易连接，有利于减少杂散电感，尤其高频使用时更重要。
　　　　⑨ 在连接器件时，连接模块的母线排不能给模块主端子电极造成过大的机械和热应力，以免模块电极的内部焊接断裂或电极端子发热在模块上产生过热。

 

 

一说起IGBT，半导体制造的人都以为不就是一个分立器件(Power Disceret)嘛，都很瞧不上眼。然而他和28nm/16nm集成电路制造一样，是国家“02专项”的重点扶持项目，这玩意是现在目前功率电子器件里技术最先进的产品，已经全面取代了传统的Power MOSFET，其应用非常广泛，小到家电、大到飞机、舰船、交通、电网等战略性产业，被称为电力电子行业里的“CPU”，长期以来，该产品（包括芯片）还是被垄断在少数IDM手上(FairChild、Infineon、TOSHIBA)，位居“十二五”期间国家16个重大技术突破专项中的第二位（简称 “02专项”）。

 

1、何为IGBT？

所谓IGBT(绝缘栅双极型晶体管），是由 BJT(双极结型晶体三极管) 和 MOS(绝缘栅型场效应管) 组成的复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件,其具有自关断的特征。

 

 

简单讲，是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。IGBT融合了BJT和MOSFET的两种器件的优点，如驱动功率小和饱和压降低等。

 

 

而平时我们在实际中使用的IGBT模块是由IGBT与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品，具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点。

 

 

2、传统的功率MOSFET

为了等一下便于理解IGBT，我还是先讲下Power MOSFET的结构。所谓功率MOS就是要承受大功率，换言之也就是高电压、大电流。我们结合一般的低压MOSFET来讲解如何改变结构实现高压、大电流。

1)高电压：一般的MOSFET如果Drain的高电压，很容易导致器件击穿，而一般击穿通道就是器件的另外三端(S/G/B)，所以要解决高压问题必须堵死这三端。Gate端只能靠场氧垫在Gate下面隔离与漏的距离(Field-Plate)，而Bulk端的PN结击穿只能靠降低PN结两边的浓度，而最讨厌的是到Source端，它则需要一个长长的漂移区来作为漏极串联电阻分压，使得电压都降在漂移区上就可以了。

 

2) 大电流：一般的MOSFET的沟道长度有Poly CD决定，而功率MOSFET的沟道是靠两次扩散的结深差来控制，所以只要process稳定就可以做的很小，而且不受光刻精度的限制。而器件的电流取决于W/L，所以如果要获得大电流，只需要提高W就可以了。

 

所以上面的Power MOSFET也叫作LDMOS (Lateral Double diffusion MOS)。虽然这样的器件能够实现大功率要求，可是它依然有它固有的缺点，由于它的源、栅、漏三端都在表面，所以漏极与源极需要拉的很长，太浪费芯片面积。而且由于器件在表面则器件与器件之间如果要并联则复杂性增加而且需要隔离。所以后来发展了VDMOS(Vertical DMOS)，把漏极统一放到Wafer背面去了，这样漏极和源极的漂移区长度完全可以通过背面减薄来控制，而且这样的结构更利于管子之间的并联结构实现大功率化。但是在BCD的工艺中还是的利用LDMOS结构，为了与CMOS兼容。

 

再给大家讲一下VDMOS的发展及演变吧，最早的VDMOS就是直接把LDMOS的Drain放到了背面通过背面减薄、Implant、金属蒸发制作出来的(如下图)，他就是传说中的Planar VDMOS，它和传统的LDMOS比挑战在于背面工艺。但是它的好处是正面的工艺与传统CMOS工艺兼容，所以它还是有生命力的。但是这种结构的缺点在于它沟道是横在表面的，面积利用率还是不够高。

 

 

再后来为了克服Planar DMOS带来的缺点，所以发展了VMOS和UMOS结构。他们的做法是在Wafer表面挖一个槽，把管子的沟道从原来的Planar变成了沿着槽壁的 vertical，果然是个聪明的想法。但是一个馅饼总是会搭配一个陷阱(IC制造总是在不断trade-off)，这样的结构天生的缺点是槽太深容易电 场集中而导致击穿，而且工艺难度和成本都很高，且槽的底部必须绝对rouding，否则很容易击穿或者产生应力的晶格缺陷。但是它的优点是晶饱数量比原来多很多，所以可以实现更多的晶体管并联，比较适合低电压大电流的application。

 

还有一个经典的东西叫做CoolMOS，大家自己google学习吧。他应该算是Power MOS撑电压最高的了，可以到1000V。

 

3、IGBT的结构和原理

上面介绍了Power MOSFET，而IGBT其实本质上还是一个场效应晶体管，从结构上看和Power MOSFET非常接近，就在背面的漏电极增加了一个P+层，我们称之为Injection Layer (名字的由来等下说).。在上面介绍的Power MOSFET其实根本上来讲它还是传统的MOSFET，它依然是单一载流子(多子)导电，所以我们还没有发挥出它的极致性能。所以后来发展出一个新的结 构，我们如何能够在Power MOSFET导通的时候除了MOSFET自己的电子我还能从漏端注入空穴不就可以了吗？所以自然的就在漏端引入了一个P+的injection layer (这就是名字的由来)，而从结构上漏端就多了一个P+/N-drift的PN结，不过他是正偏的，所以它不影响导通反而增加了空穴注入效应，所以它的特性就类似BJT了有两种载流子参与导电。所以原来的source就变成了Emitter，而Drain就变成了Collector了。

 

 

从上面结构以及右边的等效电路图看出，它有两个等效的BJT背靠背链接起来的，它其实就是PNPN的Thyristor(晶闸管)，这个东西不是我们刻意做的，而是结构生成的。我在5个月前有篇文章讲Latch-up(http://ic-garden.cn/?p=511)就说了，这样的结构最要命的东西就是栓锁(Latch-up)。而控制Latch-up的关键就在于控制Rs，只要满足α1+α2<1就可以了。

 

另外，这样的结构好处是提高了电流驱动能力，但坏处是当器件关断时，沟道很快关断没有了多子电流，可是Collector (Drain)端这边还继续有少子空穴注入，所以整个器件的电流需要慢慢才能关闭(拖尾电流, tailing current)，影响了器件的关断时间及工作频率。这个可是开关器件的大忌啊，所以又引入了一个结构在P+与N-drift之间加入N+buffer层，这一层的作用就是让器件在关断的时候，从Collector端注入的空穴迅速在N+ buffer层就被复合掉提高关断频率，我们称这种结构为PT-IGBT (Punch Through型)，而原来没有带N+buffer的则为NPT-IGBT。

 

 

一般情况下，NPT-IGBT比PT-IGBT的Vce(sat)高，主要因为NPT是正温度系数(P+衬底较薄空穴注入较少)，而PT是负温度系数(由于P衬底较厚所以空穴注入较多而导致的三极管基区调制效应明显)，而Vce(sat)决定了开关损耗(switch loss)，所以如果需要同样的Vce(sat)，则NPT必须要增加drift厚度，所以Ron就增大了。

 

 

4、IGBT的制造工艺

IGBT的制程正面和标准BCD的LDMOS没差，只是背面比较难搞：

1) 背面减薄：一般要求6~8mil，这个厚度很难磨了，容易碎片。

2) 背面注入：都磨到6~8mil了，还要打High current P+ implant >E14的dose，很容易碎片的，必须有专门的设备dedicate。甚至第四代有两次Hi-current注入，更是挑战极限了。

3) 背面清洗：这个一般的SEZ就可以。

4) 背面金属化：这个只能用金属蒸发工艺，Ti/Ni/Ag标准工艺。

5) 背面Alloy：主要考虑wafer太薄了，容易翘曲碎片。

 

 

转自：

https://blog.csdn.net/will7451/article/details/7441584

https://mp.weixin.qq.com/s/5n3LBprelHrouVOm6AdyvA