英飛凌芯片簡(jiǎn)史

話(huà)說(shuō)公元2018年，IGBT江湖驚現第六代和第七代的掌門(mén)人，一時(shí)風(fēng)頭無(wú)兩，各路吃瓜群眾紛紛猜測二位英雄的出身來(lái)歷。不禁有好事者梳理了一下英家這些年，獨領(lǐng)風(fēng)騷的數代當家掌門(mén)人，分別是：

呃，好像分不清這都誰(shuí)是誰(shuí)?

呃，雖然這些IGBT“掌門(mén)人”表面看起來(lái)都一樣，但都是悶騷型的。只能脫了衣服，做個(gè)“芯”臟手術(shù)。。。

像這樣，在芯片上，橫著(zhù)切一刀看看。

好像，有點(diǎn)不一樣了。。。

故事，就從這兒說(shuō)起吧。。。

史前時(shí)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(cháng)N+ buffer，N- base外延，最后在外延層表面形成元胞結構。它因為截止時(shí)電場(chǎng)貫穿整個(gè)N-base區而得名。它工藝復雜，成本高，而且需要載流子壽命控制，飽和壓降呈負溫度系數，不利于并聯(lián)，雖然在上世紀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(wèn)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，非穿通結構(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-漂移區的正面做成MOS結構，然后用研磨減薄工藝從背面減薄到 IGBT 電壓規格需要的厚度，再從背面用離子注入工藝形成P+ collector。在截止時(shí)電場(chǎng)沒(méi)有貫穿N-漂移區，因此稱(chēng)為“非穿通”型IGBT。NPT不需要載流子壽命控制，但它的缺點(diǎn)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(zhù)飽和導通電壓Vce(sat)也會(huì )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，125℃工作結溫，高魯棒性

因為N-漂移區厚度大大降低了，因此Vce(sat)相比PT大大減少。正溫度系數，利于并聯(lián)。

名號：DLC，KF2C，S4…

等等，好像混進(jìn)了什么奇怪的東西！

沒(méi)寫(xiě)錯！S4真的不是IGBT4，它是根正苗紅的IGBT2，適用于高頻開(kāi)關(guān)應用，硬開(kāi)關(guān)工作頻率可達40kHz。這一明星產(chǎn)品，至今銷(xiāo)路仍然不錯。

性能飛躍--IGBT3

特征：溝槽柵，場(chǎng)截止（Field Stop）

IGBT3的出現，又在IGBT江湖上掀起了一場(chǎng)巨大的變革。IGBT3的元胞結構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結構，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)的區別可以參考我們之前發(fā)表過(guò)的文章“平面型與溝槽型IGBT結構淺析”）。

縱向結構方面，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，目標在于盡量減少漂移區厚度，從而降低飽和電壓。場(chǎng)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(gè)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(chǎng)強度，使整體電場(chǎng)呈梯形，從而使所需的N-漂移區厚度大大減小。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(shí)的拖尾電流及損耗。（了解更多NPT與場(chǎng)截止器件的區別請參考：PT，NPT，FS型IGBT的區別）。

技能：低導通壓降，125℃工作結溫（600V器件為150℃），開(kāi)關(guān)性能優(yōu)化

得益于場(chǎng)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，各種應用中都可以見(jiàn)到它的身影。

特征：溝槽柵+場(chǎng)截止+薄晶圓

和IGBT3一樣，都是場(chǎng)截止+溝槽柵的結構，但IGBT4優(yōu)化了背面結構，漂移區厚度更薄，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(kāi)關(guān)頻率，優(yōu)化開(kāi)關(guān)軟度，150℃工作結溫

IGBT4通過(guò)使用薄晶圓及優(yōu)化背面結構，進(jìn)一步降低了開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)開(kāi)關(guān)軟度更高。同時(shí)，最高允許工作結溫從第3代的125℃提高到了150℃，這無(wú)疑能進(jìn)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(kāi)關(guān)頻率最高20kHz。

E4適合中功率應用，開(kāi)關(guān)頻率最高8kHz。

P4對開(kāi)關(guān)軟度進(jìn)行了更進(jìn)一步優(yōu)化，更適合大功率應用，開(kāi)關(guān)頻率最高3kHz。

土豪登場(chǎng)--IGBT5

“土豪金” 芯片

特征：溝槽柵+場(chǎng)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允許更高的工作結溫及輸出電流。同時(shí)芯片結構經(jīng)過(guò)優(yōu)化，芯片厚度進(jìn)一步減小。

技能：175℃工作結溫，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(jìn)的.XT封裝工藝，因此工作結溫可以達到175℃。芯片厚度相對于IGBT4進(jìn)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，FF1800R12IP5。

真假李逵--TRENCHSTOP?5

在單管界，有一類(lèi)產(chǎn)品叫TRENCHSTOP?5。經(jīng)常聽(tīng)到有人問(wèn)H5、F5、S5、L5是不是IGBT5？嚴格意義來(lái)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(gè)家族叫TRENCHSTOP?5。這個(gè)家族沒(méi)有“黃金甲”加持，基因也和IGBT5不一樣。

特征：精細化溝槽柵+場(chǎng)截止

雖然都叫溝槽柵，但TRENCHSTOP?5長(cháng)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(shí)，并不具備短路能力。

技能：175℃最大工作結溫，高開(kāi)關(guān)頻率，無(wú)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(shí)間。TRENCHSTOP?5可以根據應用目的不同，取得極低的導通損耗，或者極高的開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)頻率最高可達70~100kHz，而導通壓降最低可低至1.05V。

名號：H5，F5，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)品針對不同的應用進(jìn)行了通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗的優(yōu)化。其中H5/F5適合高頻應用，L5導通損耗最低。TRENCHSTOP?5各個(gè)產(chǎn)品在折衷曲線(xiàn)上的位置如下圖所示。

后起之秀--IGBT6

6掌門(mén)雖然和4掌門(mén)之間隔了個(gè)5，但6其實(shí)是4的優(yōu)化版本，依然是溝槽柵+場(chǎng)截止。IGBT6目前只在單管中有應用。

特征：溝槽柵+場(chǎng)截止

器件結構和IGBT4類(lèi)似，但是優(yōu)化了背面P+注入，從而得到了新的折衷曲線(xiàn)。

技能：175℃最大工作結溫，Rg可控，3us短路

IGBT6目前發(fā)布的有2個(gè)系列的產(chǎn)品，S6導通損耗低，Vce(sat) 1.85V; H6開(kāi)關(guān)損耗低，相比于H3，開(kāi)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(wàn)眾矚目--IGBT7

IGBT經(jīng)數代，厚積薄發(fā)，2018年終于迎來(lái)了萬(wàn)眾矚目的IGBT7。

特征：微溝槽柵+場(chǎng)截止

雖然都是溝槽柵，但多了一個(gè)微字，整個(gè)結構就大不一樣了。IGBT7溝道密度更高，元胞間距也經(jīng)過(guò)精心設計，并且優(yōu)化了寄生電容參數，從而實(shí)現5kv/us下的最佳開(kāi)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性能。

技能：175℃過(guò)載結溫，dv/dt可控

IGBT7 Vce(sat)相比IGBT4降低20%，可實(shí)現最高175℃的暫態(tài)工作結溫。

名號：T7,E7

代表產(chǎn)品有：FP25R12W1T7。T7專(zhuān)為電機驅動(dòng)器優(yōu)化，可以實(shí)現5kv/us下最佳性能。E7應用更廣泛，電動(dòng)商用車(chē)主驅?zhuān)夥孀兤鞯取?/p>

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