英飛凌IGBT芯片簡史
IGBT 1234567，看這一篇就夠了
話說公元2018年，IGBT江湖驚現(xiàn)第六代和第七代的掌門人，一時風(fēng)頭無兩，各路吃瓜群眾紛紛猜測二位英雄的出身來歷。不禁有好事者梳理了一下英家這些年，獨領(lǐng)風(fēng)騷的數(shù)代當(dāng)家掌門人，分別是：
呃，好像分不清這都誰是誰?
呃，雖然這些IGBT“掌門人”表面看起來都一樣，但都是悶騷型的。只能脫了衣服，做個“芯”臟手術(shù)。。。
像這樣，在芯片上，橫著切一刀看看。
好像，有點不一樣了。。。
故事，就從這兒說起吧。。。
史前時代-PT
PT是最初代的IGBT，它使用重摻雜的P+襯底作為起始層，在此之上依次生長N+ buffer，N- base外延，最后在外延層表面形成元胞結(jié)構(gòu)。它因為截止時電場貫穿整個N-base區(qū)而得名。它工藝復(fù)雜，成本高，而且需要載流子壽命控制，飽和壓降呈負溫度系數(shù)，不利于并聯(lián)，雖然在上世紀(jì)80年代一度呼風(fēng)喚雨，但在80年代后期逐漸被NPT取代，目前已歸隱江湖，不問世事，英飛凌目前所有的IGBT產(chǎn)品均不使用PT技術(shù)。
初代盟主——IGBT2
特征：平面柵，非穿通結(jié)構(gòu)(NPT)
NPT-IGBT于1987年出山，很快在90年代成為江湖霸主。NPT與PT不同在于，它使用低摻雜的N-襯底作為起始層，先在N-漂移區(qū)的正面做成MOS結(jié)構(gòu)，然后用研磨減薄工藝從背面減薄到 IGBT 電壓規(guī)格需要的厚度，再從背面用離子注入工藝形成P+ collector。在截止時電場沒有貫穿N-漂移區(qū)，因此稱為“非穿通”型IGBT。NPT不需要載流子壽命控制，但它的缺點在于，如果需要更高的電壓阻斷能力，勢必需要電阻率更高且更厚的N-漂移層，這意味著飽和導(dǎo)通電壓Vce(sat)也會隨之上升，從而大幅增加器件的損耗與溫升。
技能：低飽和壓降，正溫度系數(shù)，125℃工作結(jié)溫，高魯棒性
因為N-漂移區(qū)厚度大大降低了，因此Vce(sat)相比PT大大減少。正溫度系數(shù)，利于并聯(lián)。
名號：DLC，KF2C，S4…
等等，好像混進了什么奇怪的東西！
沒寫錯！S4真的不是IGBT4，它是根正苗紅的IGBT2，適用于高頻開關(guān)應(yīng)用，硬開關(guān)工作頻率可達40kHz。這一明星產(chǎn)品，至今銷路仍然不錯。
性能飛躍--IGBT3
特征：溝槽柵，場截止（Field Stop）
IGBT3的出現(xiàn)，又在IGBT江湖上掀起了一場巨大的變革。IGBT3的元胞結(jié)構(gòu)從平面型變成了溝槽型。溝槽型IGBT中，電子溝道垂直于硅片表面，消除了JFET結(jié)構(gòu)，增加了表面溝道密度，提高近表面載流子濃度，從而使性能更加優(yōu)化。（平面柵與溝槽柵技術(shù)的區(qū)別可以參考我們之前發(fā)表過的文章“平面型與溝槽型IGBT結(jié)構(gòu)淺析”）。
縱向結(jié)構(gòu)方面，為了緩解阻斷電壓與飽和壓降之間的矛盾，英家于2000年推出了Field Stop IGBT，目標(biāo)在于盡量減少漂移區(qū)厚度，從而降低飽和電壓。場截止（Field Stop）IGBT起始材料和NPT相同，都是低摻雜的N-襯底，不同在于FS IGBT背面多注入了一個N buffer層，它的摻雜濃度略高于N-襯底，因此可以迅速降低電場強度，使整體電場呈梯形，從而使所需的N-漂移區(qū)厚度大大減小。此外，N buffer還可以降低P發(fā)射極的發(fā)射效率，從而降低了關(guān)斷時的拖尾電流及損耗。（了解更多NPT與場截止器件的區(qū)別請參考：PT，NPT，F(xiàn)S型IGBT的區(qū)別）。
技能：低導(dǎo)通壓降，125℃工作結(jié)溫（600V器件為150℃），開關(guān)性能優(yōu)化
得益于場截止以及溝槽型元胞，IGBT3的通態(tài)壓降更低，典型的Vce(sat)從第2代的典型的3.4到第3代的2.55V（3300V為例）。
名號：T3，E3，L3
IGBT3在中低壓領(lǐng)域基本已經(jīng)被IGBT4取代，但在高壓領(lǐng)域依然占主導(dǎo)地位，比如3300V，4500V，6500V的主流產(chǎn)品仍然在使用IGBT3技術(shù)。
中流砥柱--IGBT4
IGBT4是目前使用最廣泛的IGBT芯片技術(shù)，電壓包含600V，1200V，1700V，電流從10A到3600A，各種應(yīng)用中都可以見到它的身影。
特征：溝槽柵+場截止+薄晶圓
和IGBT3一樣，都是場截止+溝槽柵的結(jié)構(gòu)，但IGBT4優(yōu)化了背面結(jié)構(gòu)，漂移區(qū)厚度更薄，背面P發(fā)射極及N buffer的摻雜濃度及發(fā)射效率都有優(yōu)化。
技能：高開關(guān)頻率，優(yōu)化開關(guān)軟度，150℃工作結(jié)溫
IGBT4通過使用薄晶圓及優(yōu)化背面結(jié)構(gòu)，進一步降低了開關(guān)損耗，同時開關(guān)軟度更高。同時，最高允許工作結(jié)溫從第3代的125℃提高到了150℃，這無疑能進一步增加器件的輸出電流能力。
名號：T4，E4，P4
T4是小功率系列，開關(guān)頻率最高20kHz。
E4適合中功率應(yīng)用，開關(guān)頻率最高8kHz。
P4對開關(guān)軟度進行了更進一步優(yōu)化，更適合大功率應(yīng)用，開關(guān)頻率最高3kHz。
土豪登場--IGBT5
“土豪金” 芯片
特征：溝槽柵+場截止+表面覆蓋銅
IGBT5是所有IGBT系列里最土豪的產(chǎn)品，別的芯片表面金屬化都用的鋁，而IGBT使用厚銅代替了鋁，銅的通流能力及熱容都遠遠優(yōu)于鋁，因此IGBT5允許更高的工作結(jié)溫及輸出電流。同時芯片結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化，芯片厚度進一步減小。
技能：175℃工作結(jié)溫，1.5V飽和電壓，輸出電流能力提升30%
因為IGBT5表面覆銅，并且在模塊封裝中采用了先進的.XT封裝工藝，因此工作結(jié)溫可以達到175℃。芯片厚度相對于IGBT4進一步減薄，使得飽和壓降更低，輸出電流能力提升30%。
名號：E5，P5
目前IGBT5的芯片只封裝在PrimePACK?里，電壓也只有1200V，1700V，代表產(chǎn)品FF1200R12IE5，F(xiàn)F1800R12IP5。
真假李逵--TRENCHSTOP?5
在單管界，有一類產(chǎn)品叫TRENCHSTOP?5。經(jīng)常聽到有人問H5、F5、S5、L5是不是IGBT5？嚴(yán)格意義來講并不是，雖然名字里都帶5，但是H5、F5、S5這些單管的5系列，屬于另外一個家族叫TRENCHSTOP?5。這個家族沒有“黃金甲”加持，基因也和IGBT5不一樣。
特征：精細化溝槽柵+場截止
雖然都叫溝槽柵，但TRENCHSTOP?5長得還是和前輩們大相徑庭。它的溝道更密，電流密度更高。在達到最佳操作性能同時，并不具備短路能力。
技能：175℃最大工作結(jié)溫，高開關(guān)頻率，無短路能力
性能和短路，永遠是一對矛盾體。為了追求卓越的性能，TRENCHSTOP?5犧牲掉了短路時間。TRENCHSTOP?5可以根據(jù)應(yīng)用目的不同，取得極低的導(dǎo)通損耗，或者極高的開關(guān)頻率，開關(guān)頻率最高可達70~100kHz，而導(dǎo)通壓降最低可低至1.05V。
名號：H5，F(xiàn)5，S5，L5
TRENCHSTOP?5目前只有650V的器件，并且都是分立器件。這一系列產(chǎn)品針對不同的應(yīng)用進行了通態(tài)損耗和開關(guān)損耗的優(yōu)化。其中H5/F5適合高頻應(yīng)用，L5導(dǎo)通損耗最低。TRENCHSTOP?5各個產(chǎn)品在折衷曲線上的位置如下圖所示。
后起之秀--IGBT6
6掌門雖然和4掌門之間隔了個5，但6其實是4的優(yōu)化版本，依然是溝槽柵+場截止。IGBT6目前只在單管中有應(yīng)用。
特征：溝槽柵+場截止
器件結(jié)構(gòu)和IGBT4類似，但是優(yōu)化了背面P+注入，從而得到了新的折衷曲線。
技能：175℃最大工作結(jié)溫，Rg可控，3us短路
IGBT6目前發(fā)布的有2個系列的產(chǎn)品，S6導(dǎo)通損耗低，Vce(sat) 1.85V; H6開關(guān)損耗低，相比于H3，開關(guān)損耗降低15%。
名號：S6,H6
IGBT6只有單管封裝的產(chǎn)品，例如：IKW15N12BH6，IKW40N120CS6，封裝有TO-247 3pin，TO-247 plus 3pin，TO-247 plus 4pin。
萬眾矚目--IGBT7
IGBT經(jīng)數(shù)代，厚積薄發(fā)，2018年終于迎來了萬眾矚目的IGBT7。
特征：微溝槽柵+場截止
雖然都是溝槽柵，但多了一個微字，整個結(jié)構(gòu)就大不一樣了。IGBT7溝道密度更高，元胞間距也經(jīng)過精心設(shè)計，并且優(yōu)化了寄生電容參數(shù)，從而實現(xiàn)5kv/us下的最佳開關(guān)性能。
更多IGBT7信息，請參考：1200V IGBT7和Emcon7可控性更佳，助力提升變頻器系統(tǒng)性能。
技能：175℃過載結(jié)溫，dv/dt可控
IGBT7 Vce(sat)相比IGBT4降低20%，可實現(xiàn)最高175℃的暫態(tài)工作結(jié)溫。
名號：T7,E7
代表產(chǎn)品有：FP25R12W1T7。T7專為電機驅(qū)動器優(yōu)化，可以實現(xiàn)5kv/us下最佳性能。E7應(yīng)用更廣泛，電動商用車主驅(qū)，光伏逆變器等。
一張表看懂IGBT1234567
有道是，
江山代有才人出，各領(lǐng)風(fēng)騷沒兩年。
7已經(jīng)羽翼漸豐，獨擋一面，
8還會遠嗎？
讓我們拭目以待吧！
關(guān)于英飛凌
英飛凌設(shè)計、開發(fā)、制造并銷售各種半導(dǎo)體和系統(tǒng)解決方案。其業(yè)務(wù)重點包括汽車電子、工業(yè)電子、射頻應(yīng)用、移動終端和基于硬件的安全解決方案等。
英飛凌將業(yè)務(wù)成功與社會責(zé)任結(jié)合在一起，致力于讓人們的生活更加便利、安全和環(huán)保。半導(dǎo)體雖幾乎看不到，但它已經(jīng)成為了我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。不論在電力生產(chǎn)、傳輸還是利用等方面，英飛凌芯片始終發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。此外，它們在保護數(shù)據(jù)通信，提高道路交通安全性，降低車輛的二氧化碳排放等領(lǐng)域同樣功不可沒。
轉(zhuǎn)載自英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體微信公眾號
??9月6日
