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IGBT器件培训 物品部2006 04 目录 一 IGBT概述 二 IGBT器件分类 三 IGBT主要电气参数和特性 四 IGBT器件选用 五 IGBT失效分析 六 业界发展趋势 一 IGBT概述 1 IGBT定义IGBT 绝缘栅双极性晶体管 InsolatedGateBipolarTransistor 是80年代初为解决MOSFET的高导通压降 难以兼顾高压和大电流特性 和GTR的工作频率低 驱动功耗大等不足而出现的双机理复合器件 DoubleMechanismDevice 相当于一个低压MOSFET和一个高压大电流GTR的复合结构 一 IGBT概述 2 IGBT基本结构 N沟道增强型垂直式IGBT 平面栅极结构 和MOSFET不同 IGBT的n区下面有一个p 导通区 流经n 漂移区的电子在进入p 区时 少数载流子 空穴 由p 区注入漂移区并流向发射极 由此 n 漂移区载流子出现过盈和增强现象 并导致空间电荷区的缩小以及C E电压的降低 一 IGBT概述 3 IGBT主要特点双极型器件 少子参与导电 空穴电流占总电流的20 25 NPT 由于少数载流子注入的基区调制效应 正向饱和压降 类似于MOSFET的导通电阻 不再明显受到耐压的影响 在大电流下可获得很低的通态压降和很高的功率处理能力 同等耐压和功率处理能力下 IGBT所需的芯片面积明显小于MOSFET 因而具有成本优势 具有MOS栅控制结构 驱动与MOSFET类似 关断时由于少数载流子存储效应 存在电流拖尾 关断损耗较高 也限制了使用频率 一般不高于200KHZ 由于没有自身的体二极管 应用中需配合反并二极管用以续流 同时限制反向电压 多数产品内部已集成封装了此反并二极管 一 IGBT概述 4 IGBT主要应用范围 二 IGBT分类 1 按电压等级划分300 600 900 1200 1700 3300 6500V 等 二 IGBT分类 2 按芯片技术划分 二 IGBT分类 PT PunchThrough 在p 衬底 约500um 上外延生长高掺杂的n 缓冲层 约10um 和n 漂移层 约100um 再双扩散出P型沟道体区和n发射区 多晶硅栅的扩散掩蔽作用有利于实现精确的自对准 在正向截止状态下 空间电荷区覆盖了整个n 漂移区 其结尾处的n 缓冲层吸收了剩余的电场 二 IGBT分类 NPT NonPunchThrough 工艺特点 在优质单晶结构的低浓度N 硅片上通过扩散 离子注入工艺完成器件整体制造 没有质量欠佳的异质外延层 因而开关安全工作区宽 N 区不掺金 铂等少子复合中心 因而高温稳定性好 集电极侧P区浓度和少子注入浓度低 关断速度快 N 区有足够厚度 可吸收在正向截止状态下最大截止电压 雪崩击穿 的场强 电场延伸到n 区之外的现象不会出现 二 IGBT分类 FS NPT FieldStopNPT 剖面结构和电场行为和PTIGBT类似 n缓冲层浓度比PT中要低 制造工艺与NPT类似 饱和压降低 开关频率高 温度稳定性好 二 IGBT分类 3 按栅结构划分 平面栅 planar 优点 承受短路能力较高 栅极电容较小 约为沟槽栅器件的三分之一 沟槽栅 Trench 优点 单元面积较小 电流密度较大 通态损耗降低约30 击穿电压更高 二 IGBT分类 4 按封装划分 1 单管分立器件 TO 220 TO 247 TO MAX等 二 IGBT分类 2 模块 提供绝缘功能 3KV以上 安规认证 UL 绝缘材料 Al2O3 AlN AlSIC BeO等 一般工业用器件采用Al2O3 AlN 而航空用器件采用AlSiC材料 金属基片 主要采用直接铜熔结DCB DirectCopperBonding 在1000 以上的温度下 约0 3 0 6mm的绝缘基片的上下表面分别与约300um后的铜层共熔一起 然后刻蚀上表面铜层以得到需要的电路连接 二 IGBT分类 A 有铜底板 CopperBaseplate 的模块DCB的底部被焊接在约3mm厚的铜底板上 62mm模块 106 62 30mm 二 IGBT分类 B 无铜底板的模块 SEMIPONT EASY系列 优势 降低成本和模块重量 减小热阻 缺点 由于DCB较薄 对安装工艺要求更苛刻 二 IGBT分类 5 按照内部拓扑划分 IGBT PIM 二 IGBT分类 IPM IntelligentPowerModule 三 IGBT主要电气参数和特性 1 实际结构 NPT 及其等效电路 三 IGBT主要电气参数和特性 2 输出特性 由于设计芯片及其边沿结构时 侧重于追求高的正向截止电压和优化集电极端口散热 反向截止电压约几十伏 由于集电极端pn结处于截止状态 IGBT不具备反向导通能力 三 IGBT主要电气参数和特性 3 集电极 发射极击穿电压Vces BVces Vge 0V时的最大C E极直流电压 对应于pnp晶体管的Vcer 正温度系数 约 10 Tj 100 三 IGBT主要电气参数和特性 4 集电极电流Ic 手册中Ic Icm参数 实际电流容量随温度上升而下降 三 IGBT主要电气参数和特性 5 集 射极饱和电压Vce sat IGBT饱和导通时通过额定电流的集 射极电压 它是Tj Ic和Vge的函数 表征器件的通态损耗 PT 由于集电极端厚衬底的空穴注入浓度高 基区调制效应明显 Vce sat 呈现负温度系数 NPT 由于P衬底较薄 空穴注入效率较低 引入的双极负温度系数成分较小 NPT IGBT的Vce sat 温度系数在很小电流时仍呈现负温度系数 但在较大的正常使用电流条件下为正温度系数 高温性能稳定且易于并联 三 IGBT主要电气参数和特性 6 开关时间及开关能量例 SKM100GB124D的开关时间及开关能量 三 IGBT主要电气参数和特性 通常测量电路 三 IGBT主要电气参数和特性 开关时间定义 三 IGBT主要电气参数和特性 Eon Eoff 和电流以及栅极电阻的关系 三 IGBT主要电气参数和特性 7 安全工作区 1 正偏安全工作区 FBSOA 三 IGBT主要电气参数和特性 2 反偏安全工作区 RBSOA 三 IGBT主要电气参数和特性 3 短路安全工作区 SCSOA 三 IGBT主要电气参数和特性 8 结电容 极间电容包含两类 一类为Cge和Cgc 决定于栅极的几何形状和SiO2绝缘层的厚度 另一类为Cce 取决于沟道面积和有关PN结的反偏程度 三 IGBT主要电气参数和特性 9 閾值电压Vge th 和栅电荷Qg 三 IGBT主要电气参数和特性 10 反并联二极管参数 三 IGBT主要电气参数和特性 11 热阻参数 温态热阻 IGBT瞬态热阻 二极管芯片也有一个类似的结壳瞬态热阻曲线 三 IGBT主要电气参数和特性 12 绝缘耐压和机械参数绝缘耐压 机械参数 四 IGBT选用 1 何时应选用IGBT 四 IGBT选用 2 主要供应商 四 IGBT选用 3 IGBT驱动IGBT的驱动方式从易到繁分直接驱动 电流源驱动 双电源驱动 隔离驱动 又分变压器隔离与光电隔离 集成模块式驱动 在需要有延迟开通功能时多采用光电隔离驱动或集成模块驱动方式 综合起来 驱动设计的一般要求有以下几点 四 IGBT选用 通常驱动电路必须提供正栅压 15V 关断负栅压 2 10V 栅极驱动电路必须能够传送一个与总的栅极电荷乘以开关频率相等的平均电流 它也必须能够传送2到3A的峰值电流 同时能输出用于关断的负电平 为使瞬变和振荡减到最小 应在栅极串联一个低值的电阻 几 到几百 不等 见厂家推荐的数值或图表 栅 发射极之间应设计齐纳二极管 并尽可能近地同该器件相连 驱动电路布线必须采用适当的接地 驱动电流导线尽可能短 避免主回路导电条与驱动电路混合或相交 驱动器电源两端须有高频旁路方式 并尽可能接近驱动电路 四 IGBT选用 4 并联使用 1 IGBT并联使用时突出的问题是均流 影响均流的直流参数是VGE th gfs和VCE on 饱和压降偏差不要超过15 阈值电压偏差不要超过10 跨导也要近可能接近 此外 驱动电阻应分立 以防止出现振荡 驱动电路 发射极的杂散电感对并联影响尤其重要 应尽可能地对称 不推荐使用不同厂家的产品并联使用 这样可以基本排除交流参数对均流的不良影响 四 IGBT选用 2 典型电路推荐 具体细节可参阅相关资料 栅电阻分离 Re限制发射极回路环流且阻尼振荡 100V1A肖特基二极管 平衡短路条件下的发射极压降 四 IGBT选用 3 注意反并二极管温度系数的影响 并联使用情况 尤其整流应用 下 尽量选用具有正温度系数 或者在使用电流范围具有正温度系数 的反并二极管的IGBT模块 以获得更好的均流效果 如Encom二极管 HDCAL二极管等 四 IGBT选用 5 散热考虑 1 功率模块内部热阻分布 1200V Al2O3 IGBT模块内部热阻分布比例 四 IGBT选用 2 热阻模型和结温计算 代表同一铜底板上不同元件的热耦合 简化计算时可忽略 四 IGBT选用 3 导热硅脂厚度对模块 flowPIM 散热的影响 四 IGBT选用 6 降额应用 四 IGBT选用 7 安装加工 1 预防ESD损伤IGBT的栅氧厚度比功率MOSFET要厚 这使得它对静电不如后者敏感 但是IGBT毕竟是MOS栅器件 应用中须有防静电措施 控制电路中设计栅极泻放电阻和稳压管保护 运输 储存 加工 焊接中注意避免静电损伤 静电电压控制在100V以下 四 IGBT器件选用 2 使用平整度好的散热器 100mm 平整度不佳的散热器导致气隙和散热问题 四 MOSFET器件选用 3 均匀涂抹满足厚度要求的导热硅脂 硅脂厚度通常要求 有铜底板模块 100um 无铜底板模块 50um 四 MOSFET器件选用 4 使用正确的安装力矩和安装程序 设厂家推荐最大安装力矩为Ms 则用户安全使用的实际安装力矩Mc一般应为 0 9 Ms Mc Ms按照正确的顺序预紧 最终紧固螺钉 五 IGBT失效分析 1 失效原因 1 设计因素 过电应力 散热不足 容差偏小 2 加工 测试 装配因素 静电损伤 机械损伤 过压击穿等 3 来料因素 批次问题 个别不良 2 失效分析方法 信息收集芯片解剖电应力测试VGS VDS ID TC来料测试加工跟踪 五 MOSFET失效分析 五 IGBT失效分析 3 失效案例SKM200GB124D生产耐压测试失效 五 IGBT失效分析 b APT60GF120JRD生产调测失效 五 MOSFET失效分析 c SEMIX553GB128D研发失效 五 MOSFET失效分析 d SKM150GB124D逆变IGBT市场失效 五 MOSFET失效分析 e BSM75GB120DLC整流IGBT市场失效 六 业界发展趋势 1 封装技术发展趋势 散热能力和温度循环能力的改善 优化设计 降低内部引线电感 高度灵活的封装于连接技术 简化用户的装配 更高的集成度和复杂度 六 业界发展趋势 2 芯片技术降低通态压降 降低开关损耗 改善耐冲击性 提高高压晶体管的正向截止电压 目前最大潜力在于单元设计的优化 INFINEON芯片发展趋势 六 业界发展趋势 3 新材料以碳化硅 SiC 及GaN为代表的宽禁带材料 是继Si和GaAs之后的第三代半导体 与Si相比 SiC具有宽禁带 Si的2 3倍 Si的禁带宽度为1 12eV 高热导率 Si的3 3倍 高击穿场强 Si的10倍 高饱和电