具有高溫工作能力的1700V SPT+ IGBT和二極管芯片組
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
1簡(jiǎn)介
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/230468.htm過(guò)去幾年，功率半導體的發(fā)展趨勢，主要集中在對給定的應用提高功率密度。但當考慮到工作時(shí)的總功耗、安全工作區容限和允許的最大結溫時(shí)，這種性能指標受到挑戰。隨著(zhù)最先進(jìn)的IGBT正慢慢接近損耗降低的極限，提高最大結溫已成為當今功率器件開(kāi)發(fā)的主要動(dòng)力之一。由于熱流跟溫差成正比，如果半導體器件允許的結溫更高，將為產(chǎn)生的熱量提供更好的傳導，進(jìn)而增加給定器件面積的功率密度。
從2005年開(kāi)始，平面SPT+技術(shù)已成功引入到從1.2kV到6.5kV不同的電壓等級中[1][2]。本文將介紹一種改進(jìn)了的1700VSPT+芯片組。其研發(fā)應用于額定值3.6kA/ 1700V HiPak2模塊封裝，且指定工作結溫為Tj=150℃。SPT+技術(shù)可使導通損耗減小，加之它具有比25℃更高（可能是125℃，疑誤—譯者）的溫度承受能力，故同當前典型的水冷應用的SPT一代相比，新型的1700V SPT+IGBT模塊在頻率從250Hz變化到1000Hz時(shí)逆變器輸出電流增加了20％，如圖1所示。
圖1逆變器輸出電流隨開(kāi)關(guān)頻率變化：1700V SPT與SPT+HiPak2對比2 1700V SPT+高溫芯片組技術(shù)
2.1 SPT+高溫IGBT技術(shù)
同原始的平面IGBT元胞相比，SPT+技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是在減小導通損耗的同時(shí)，保留了具有相同開(kāi)關(guān)控制能力的SPT（軟穿通）縱向設計。上述優(yōu)點(diǎn)的實(shí)現，是通過(guò)在IGBT MOS單元的P－well周?chē)胍粋€(gè)N型增強層來(lái)實(shí)現的，如圖2剖面結構所示。增強層增大了IGBT陰極端的載流子濃度，因此，在沒(méi)有顯著(zhù)增加關(guān)斷損耗的同時(shí)使導通壓降降低。N型增強層的雜質(zhì)分布形式是仔細優(yōu)化了的，以避免任何對SPT+IGBT的關(guān)斷安全工作區及耐壓能力的負面影響。1700V SPT+IGBT的最終設計將勝過(guò)具有相同面積的以往SPT產(chǎn)品，它的導通損耗更低而關(guān)斷損耗與SPT相當，可多承受20％的電流。
為確保在Tj=150℃時(shí)能可靠工作，引入了一種基于偏置環(huán)概念[3]的新型終端設計。這里環(huán)的互連是通過(guò)一個(gè)半絕緣層來(lái)實(shí)現的，正如剖面圖2所示。同基于結終端擴展概念的以往產(chǎn)品相比較，已證明，這種終端設計在能提供更窄的漏電流分布的同時(shí)，不受內部環(huán)間距變化和界面態(tài)的影響。已獲得一個(gè)非常好的耐壓能力和反向漏電典型值，這將確保器件在1700V、溫度高達165℃、Rth=1.2kV時(shí)穩定工作。
圖21700V SPT+IGBT元胞及終端示意圖
圖 31700V SPT+二極管示意圖及載流子壽命分布圖
2.2 SPT+高溫二極管技術(shù)
圖3顯示了一個(gè)SPT+二極管的剖面圖。SPT+二極管采用了與標準SPT技術(shù)相同的設計，即利用了一個(gè)重摻雜P+發(fā)射極。通過(guò)利用局部和整體載流子壽命控制，二極管中等離子體的分布符合低正向壓降和軟反向恢復要求[4]。局部壽命控制是通過(guò)質(zhì)子（H+）輻照代替前一代二極管產(chǎn)品中所應用的氦（He++）輻照而得到的。已經(jīng)證明這種技術(shù)可有效減小復合能級的產(chǎn)生率( 它決定著(zhù)耗盡層載流子的產(chǎn)生)，因此,使高溫下漏電流顯著(zhù)減小[5]。優(yōu)化了硅設計和終端設計，以提供更高的阻斷容限。
3 1700V SPT+ 高溫芯片的性能
為應用于1700V HiPak2模塊中，對這種芯片組進(jìn)行了特殊優(yōu)化。1700V HiPak2模塊的額定電流值為3.6kA，適用于Tj=150℃工作。由于綜合了大電流和大寄生電感，這種應用對軟而可控的開(kāi)通，關(guān)斷轉換要求很高。因此，將從芯片和模塊級測試，討論芯片組的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。
3.1靜態(tài)特性
圖4給出了Tj=150℃時(shí)不同柵壓下，1700V SPT+IGBT芯片所測得的通態(tài)曲線(xiàn)。標稱(chēng)電流下典型的通態(tài)壓降（VCE，on），在Tj=125℃時(shí)為2.95V，Tj=150℃時(shí)為3.1V。從低電流開(kāi)始，SPT+IGBT的通態(tài)壓降（VCE，on）就表現出強正溫度系數。它保證了有同模塊中各芯片間電流的良好分配。如圖5所示，結溫為Tj=150℃時(shí)，測得的1700V二極管典型正向電壓為2.15V。在標稱(chēng)電流一半處，二極管（導通壓降）也表現出了正的溫度系數。這是優(yōu)化局部載流子壽命分布的結果。在標稱(chēng)電流下，工作在室溫和125℃時(shí)的壓降差為250mV，這也確保了芯片并聯(lián)時(shí)的安全。正如圖6看到的，高溫反向阻斷下，與之前的SPT二極管工藝平臺相比，二極管的漏電流減小了兩倍多。
圖4在Tj=150℃時(shí)不同的偏壓下，1700V SPT+IGBT通態(tài)曲線(xiàn)
圖5不同溫度下 1700V二極管芯片正向特性
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