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IGBT 芯片发展史

贞光科技 2023-04-14 16:32 次阅读

贞光科技从车规微处理器MCU、功率器件、电源管理芯片信号处理芯片、存储芯片、二、三极管、光耦、晶振、阻容感等汽车电子元器件为客户提供全产业链供应解决方案!

自 20 世纪 80 年代发展至今,IGBT 芯片经历了 7 代技术及工艺的升级,从平面穿通型(PT)到微沟槽场截止型,IGBT 从芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗等各项指标都进行了不断的优化,断态电压从 600V 提高到 7000V,关断时间从 0.5 微秒降低至 0.12 微秒,工艺线宽由 5um 降低至 0.3um。

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此外,由于 IGBT 产品对可靠性和质量稳定性要求较高,下游客户认证周期较长,所以产品的生命周期较一般集成电路产品较长,对不同代际的 IGBT 产品,由于性能和需求差异导致应用领域略有不同,目前市场上应用最广泛的仍是 IGBT 第 4 代工艺产品。

第一代 平面栅+穿通(PT)

出现时间:1988年

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PT 是最初代的 IGBT,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。工艺复杂,成本高,饱和压降呈负温度系数,不利于并联,在 80 年代后期逐渐被 NPT 取代,目前 IGBT 产品已不使用 PT 技术。

第二代 平面栅+非穿通 (NPT)

出现时间:1997年

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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,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。

第三代 沟槽栅+场截止(Trench+FS)

出现时间:2001年

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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。得益于场截止以及沟槽型元胞,IGBT3 的通态压降更低,工作结温 125℃较 2 代没有太大提升, 开关性能优化。

第四代 沟槽栅+场截止(Trench+FS)

出现时间:2007年

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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。4 代较 3 代优化了背面结构,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。同时,最高允许工作结温从 第 3 代的 125℃提高到了 150℃增加了器件的输出电流能力。

第五代 沟槽栅+场截止+表面覆铜(Trench+FS)

出现时间:2013年

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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。

第六代 沟槽栅+场截止=(Trench+FS)

出现时间:2017年

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6 代是 4 代的优化,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。IGBT6目前只在单管中有应用。

第七代 微沟槽栅+场截止(Micro Pattern Trench)

出现时间:2018

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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。IGBT7 Vce(sat)相比 IGBT4 降低 20%,可实现最高 175℃的暂态工作结温。

*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,贞光科技二次整理,不代表贞光科技对该观点赞同或支持,仅为行业交流学习之用,如有异议,欢迎探讨。

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