IGBT器件培訓(xùn)講義

1、IGBT器件培訓(xùn)講義目錄目錄一、IGBT概述;二、IGBT器件分類;三、IGBT主要電氣參數(shù)和特性；四、IGBT器件選用；五、IGBT失效分析；六、業(yè)界發(fā)展趨勢；一、IGBT概述1、IGBT定義IGBT絕緣柵雙極性晶體管（Insolated Gate Bipolar Transistor），是80年代初為解決MOSFET的高導(dǎo)通壓降（難以兼顧高壓和大電流特性）和GTR的工作頻率低、驅(qū)動功耗大等不足而出現(xiàn)的雙機(jī)理復(fù)合器件（Double Mechanism Device）。相當(dāng)于一個低壓MOSFET和一個高壓大電流GTR的復(fù)合結(jié)構(gòu)。一、一、IGBTIGBT概述概述2、IGBT基本結(jié)構(gòu)（N溝道增強(qiáng)型

2、垂直式IGBT)平面柵極結(jié)構(gòu)和MOSFET不同，IGBT的n區(qū)下面有一個p導(dǎo)通區(qū)。流經(jīng)n漂移區(qū)的電子在進(jìn)入p區(qū)時，少數(shù)載流子（空穴）由p區(qū)注入漂移區(qū)并流向發(fā)射極。由此，n漂移區(qū)載流子出現(xiàn)過盈和增強(qiáng)現(xiàn)象，并導(dǎo)致空間電荷區(qū)的縮小以及C-E電壓的降低。一、一、IGBTIGBT概述概述3、IGBT主要特點雙極型器件，少子參與導(dǎo)電?？昭娏髡伎傠娏鞯?025(NPT)。由于少數(shù)載流子注入的基區(qū)調(diào)制效應(yīng)，正向飽和壓降（類似于MOSFET的導(dǎo)通電阻）不再明顯受到耐壓的影響。在大電流下可獲得很低的通態(tài)壓降和很高的功率處理能力；同等耐壓和功率處理能力下，IGBT所需的芯片面積明顯小于MOSFET，因而具有成本優(yōu)

3、勢；具有MOS柵控制結(jié)構(gòu)，驅(qū)動與MOSFET類似；關(guān)斷時由于少數(shù)載流子存儲效應(yīng)，存在電流拖尾，關(guān)斷損耗較高；也限制了使用頻率（一般不高于200KHZ）；由于沒有自身的體二極管，應(yīng)用中需配合反并二極管用以續(xù)流，同時限制反向電壓。多數(shù)產(chǎn)品內(nèi)部已集成封裝了此反并二極管。一、一、IGBTIGBT概述概述4、IGBT主要應(yīng)用范圍二、二、IGBTIGBT分類分類1、按電壓等級劃分300，600，900，1200，1700，3300，6500V，等二、二、IGBTIGBT分類分類2、按芯片技術(shù)劃分工藝穿通擊穿電壓器件成本飽和壓降工作頻率安全工作區(qū)PT異質(zhì)外延 擴(kuò)散低于雪崩擊穿電壓高較低較低，20KHZ以下較

4、窄，高溫穩(wěn)定性差NPT同質(zhì)擴(kuò)散離子注入高于雪崩擊穿電壓較低稍高較高較寬，高溫穩(wěn)定性好FS-NPT(LPT,SPT類似）與NPT類似，增加擴(kuò)散一N+緩沖層（其濃度低于PT中的緩沖層）低于雪崩擊穿電壓較低較低，2V以下較高較寬，高溫穩(wěn)定性好二、二、IGBTIGBT分類分類PT(Punch Through)在p襯底（約500um)上外延生長高摻雜的n緩沖層（約10um）和n漂移層（約100um），再雙擴(kuò)散出P型溝道體區(qū)和n發(fā)射區(qū)。多晶硅柵的擴(kuò)散掩蔽作用有利于實現(xiàn)精確的自對準(zhǔn)。在正向截止?fàn)顟B(tài)下，空間電荷區(qū)覆蓋了整個n漂移區(qū)，其結(jié)尾處的n緩沖層吸收了剩余的電場；二、二、IGBTIGBT分類分類NPT(N

5、on Punch Through)工藝特點：在優(yōu)質(zhì)單晶結(jié)構(gòu)的低濃度N-硅片上通過擴(kuò)散、離子注入工藝完成器件整體制造，沒有質(zhì)量欠佳的異質(zhì)外延層，因而開關(guān)安全工作區(qū)寬；N-區(qū)不摻金、鉑等少子復(fù)合中心，因而高溫穩(wěn)定性好；集電極側(cè)P區(qū)濃度和少子注入濃度低，關(guān)斷速度快。N區(qū)有足夠厚度，可吸收在正向截止?fàn)顟B(tài)下最大截止電壓(雪崩擊穿)的場強(qiáng)，電場延伸到n區(qū)之外的現(xiàn)象不會出現(xiàn)。二、二、IGBTIGBT分類分類FS-NPT(Field Stop NPT)剖面結(jié)構(gòu)和電場行為和PT IGBT類似；n緩沖層濃度比PT中要低；制造工藝與NPT類似，飽和壓降低，開關(guān)頻率高，溫度穩(wěn)定性好。二、二、IGBTIGBT分類分類3

6、、按柵結(jié)構(gòu)劃分平面柵（planar）優(yōu)點：承受短路能力較高；柵極電容較?。s為溝槽柵器件的三分之一）；溝槽柵（Trench）優(yōu)點：單元面積較小，電流密度較大，通態(tài)損耗降低約30；擊穿電壓更高；二、二、IGBTIGBT分類分類4、按封裝劃分：（1）單管分立器件：TO-220, TO-247, TO-MAX等； TO-3PTO-3PFM二、二、IGBTIGBT分類分類（2）模塊：提供絕緣功能，3KV以上（安規(guī)認(rèn)證，UL）。 絕緣材料： Al2O3、AlN、AlSIC、BeO等 （一般工業(yè)用器件采用Al2O3、AlN，而航空用器件采用AlSiC材料） 金屬基片：主要采用直接銅熔結(jié) DCB（Direc

7、t Copper Bonding）。在1000以上的溫度下，約0.30.6mm的絕緣基片的上下表面分別與約300um后的銅層共熔一起，然后刻蝕上表面銅層以得到需要的電路連接。二、二、IGBTIGBT分類分類A、有銅底板（Copper Baseplate）的模塊 DCB的底部被焊接在約3mm厚的銅底板上62mm模塊：1066230mm二、二、 IGBT IGBT分類分類B、無銅底板的模塊：SEMIPONTEASY 系列優(yōu)勢：降低成本和模塊重量；減小熱阻；缺點：由于DCB較薄，對安裝工藝要求更苛刻；二、二、 IGBT IGBT分類分類5、按照內(nèi)部拓?fù)鋭澐郑篒GBTPIM二、二、 IGBTIGBT分

8、類分類IPM（ Intelligent Power Module ）三、三、IGBTIGBT主要電氣參數(shù)和特主要電氣參數(shù)和特性性1、實際結(jié)構(gòu)（NPT）及其等效電路三、三、IGBTIGBT主要電氣參數(shù)和特主要電氣參數(shù)和特性性2、輸出特性由于設(shè)計芯片及其邊沿結(jié)構(gòu)時，側(cè)重于追求高的正向截止電壓和優(yōu)化集電極端口散熱，反向截止電壓約幾十伏。由于集電極端pn結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，IGBT不具備反向?qū)芰?。三、三、IGBTIGBT主要電氣參數(shù)和特性主要電氣參數(shù)和特性3、集電極發(fā)射極擊穿電壓Vces（BVces） Vge=0V時的最大C-E極直流電壓，對應(yīng)于pnp晶體管的Vcer。正溫度系數(shù)，約10/Tj100三

9、、三、IGBTIGBT主要電氣參數(shù)和特主要電氣參數(shù)和特性性4、集電極電流Ic手冊中Ic、Icm參數(shù)實際電流容量隨溫度上升而下降。三、三、IGBTIGBT主要電氣參數(shù)和特性主要電氣參數(shù)和特性5、集射極飽和電壓Vce(sat) IGBT飽和導(dǎo)通時通過額定電流的集射極電壓，它是Tj、Ic和Vge的函數(shù)，表征器件的通態(tài)損耗。PT: 由于集電極端厚襯底的空穴注入濃度高，基區(qū)調(diào)制效應(yīng)明顯，Vce(sat)呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)；NPT: 由于P襯底較薄，空穴注入效率較低，引入的雙極負(fù)溫度系數(shù)成分較小，NPT-IGBT的Vce(sat)溫度系數(shù)在很小電流時仍呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)，但在較大的正常使用電流條件下為正溫度系數(shù)，

10、高溫性能穩(wěn)定且易于并聯(lián)。三、三、IGBTIGBT主要電氣參數(shù)和特主要電氣參數(shù)和特性性6、開關(guān)時間及開關(guān)能量 例：SKM100GB124D的開關(guān)時間及開關(guān)能量三、三、IGBTIGBT主要電氣參數(shù)和特性主要電氣參數(shù)和特性通常測量電路三、三、IGBTIGBT主要電氣參數(shù)和特性主要電氣參數(shù)和特性開關(guān)時間定義三、三、IGBTIGBT主要電氣參數(shù)和特主要電氣參數(shù)和特性性Eon(Eoff)和電流以及柵極電阻的關(guān)系三、三、IGBTIGBT主要電氣參數(shù)和特性主要電氣參數(shù)和特性7、安全工作區(qū)（1）正偏安全工作區(qū)（FBSOA）三、三、IGBTIGBT主要電氣參數(shù)和特主要電氣參數(shù)和特性性(2) 反偏安全工作區(qū)（RBS

11、OA）三、三、IGBTIGBT主要電氣參數(shù)和特性主要電氣參數(shù)和特性（3）短路安全工作區(qū)（SCSOA)三、三、IGBTIGBT主要電氣參數(shù)和特性主要電氣參數(shù)和特性8、結(jié)電容極間電容包含兩類：一類為Cge和Cgc，決定于柵極的幾何形狀和SiO2絕緣層的厚度；另一類為Cce，取決于溝道面積和有關(guān)PN結(jié)的反偏程度。三、三、IGBTIGBT主要電氣參數(shù)和特性主要電氣參數(shù)和特性9、閾值電壓Vge(th)和柵電荷Qg三、三、IGBTIGBT主要電氣參數(shù)和特性主要電氣參數(shù)和特性10、反并聯(lián)二極管參數(shù)三、三、IGBTIGBT主要電氣參數(shù)和特性主要電氣參數(shù)和特性11、熱阻參數(shù)溫態(tài)熱阻IGBT瞬態(tài)熱阻（二極管芯片也

12、有一個類似的結(jié)殼瞬態(tài)熱阻曲線）三、三、IGBTIGBT主要電氣參數(shù)和特主要電氣參數(shù)和特性性12、絕緣耐壓和機(jī)械參數(shù)絕緣耐壓：機(jī)械參數(shù)：四、四、IGBTIGBT選用選用1、何時應(yīng)選用IGBT？四、四、IGBTIGBT選用選用2、主要供應(yīng)商廠家主要規(guī)格范圍INFINEON600V/400A，1200V/600A，1700V/3600A，6500V/600A，SEMIKRON600V/400A，1200V/960A, 1700V/830A;MITSUBISHIIGBT:600V/600A, 1200V/1400A, 1700V/1000A；IPM:600V/600A,1200V/450A,FUJII

13、GBT:1200V/400A; IPM:1200V/75A;600V/150ATYCO中小功率模塊; PIM：600V/50A;1200V/35A;APT分立IGBT，600V/1200V（100A），模塊可定制；IXYS三相橋1200V/150A；PIM:1200V/75A;單管6500V/600A；ABB1200V/3600A；3300V/1200A;6500V/600A四、四、IGBTIGBT選用選用3、IGBT驅(qū)動 IGBT的驅(qū)動方式從易到繁分直接驅(qū)動、電流源驅(qū)動、雙電源驅(qū)動、隔離驅(qū)動（又分變壓器隔離與光電隔離）、集成模塊式驅(qū)動，在需要有延遲開通功能時多采用光電隔離驅(qū)動或集成模塊驅(qū)動方

14、式。綜合起來、驅(qū)動設(shè)計的一般要求有以下幾點：四、四、IGBTIGBT選用選用通常驅(qū)動電路必須提供正柵壓15V，關(guān)斷負(fù)柵壓-210V；柵極驅(qū)動電路必須能夠傳送一個與總的柵極電荷乘以開關(guān)頻率相等的平均電流，它也必須能夠傳送2到3A的峰值電流。同時能輸出用于關(guān)斷的負(fù)電平；為使瞬變和振蕩減到最小，應(yīng)在柵極串聯(lián)一個低值的電阻（幾到幾百不等，見廠家推薦的數(shù)值或圖表）； 柵發(fā)射極之間應(yīng)設(shè)計齊納二極管，并盡可能近地同該器件相連； 驅(qū)動電路布線必須采用適當(dāng)?shù)慕拥?，?qū)動電流導(dǎo)線盡可能短； 避免主回路導(dǎo)電條與驅(qū)動電路混合或相交； 驅(qū)動器電源兩端須有高頻旁路方式，并盡可能接近驅(qū)動電路；四、四、IGBTIGBT選用選用

15、4、并聯(lián)使用 （1）IGBT并聯(lián)使用時突出的問題是均流，影響均流的直流參數(shù)是VGE(th)、gfs和VCE(on) ，飽和壓降偏差不要超過15%，閾值電壓偏差不要超過10%，跨導(dǎo)也要近可能接近。此外，驅(qū)動電阻應(yīng)分立，以防止出現(xiàn)振蕩， 驅(qū)動電路、發(fā)射極的雜散電感對并聯(lián)影響尤其重要，應(yīng)盡可能地對稱。 不推薦使用不同廠家的產(chǎn)品并聯(lián)使用，這樣可以基本排除交流參數(shù)對均流的不良影響。四、四、IGBTIGBT選用選用（2）典型電路推薦（具體細(xì)節(jié)可參閱相關(guān)資料）：柵電阻分離Re限制發(fā)射極回路環(huán)流且阻尼振蕩100V1A肖特基二極管：平衡短路條件下的發(fā)射極壓降四、四、IGBTIGBT選用選用（3）注意反并二極管溫

16、度系數(shù)的影響 并聯(lián)使用情況（尤其整流應(yīng)用）下，盡量選用具有正溫度系數(shù)（或者在使用電流范圍具有正溫度系數(shù)）的反并二極管的IGBT模塊，以獲得更好的均流效果。如Encom二極管、HD CAL二極管等；四、四、IGBTIGBT選用選用5、散熱考慮（1）功率模塊內(nèi)部熱阻分布1200V (Al2O3）IGBT模塊內(nèi)部熱阻分布比例四、四、IGBTIGBT選用選用（2）熱阻模型和結(jié)溫計算代表同一銅底板上不同元件的熱耦合，簡化計算時可忽略。四、四、IGBTIGBT選用選用（3）導(dǎo)熱硅脂厚度對模塊（flowPIM）散熱的影響四、四、IGBTIGBT選用選用6、降額應(yīng)用四、四、IGBTIGBT選用選用7、安裝加工

17、（1） 預(yù)防ESD損傷 IGBT的柵氧厚度比功率MOSFET要厚，這使得它對靜電不如后者敏感。但是IGBT畢竟是MOS柵器件，應(yīng)用中須有防靜電措施： 控制電路中設(shè)計柵極瀉放電阻和穩(wěn)壓管保護(hù)； 運輸、儲存、加工、焊接中注意避免靜電損傷（靜電電壓控制在100V以下）； 四、四、IGBTIGBT器件選用器件選用(2) 使用平整度好的散熱器Heatsink 20 m 6,3 m平整度粗糙度100mmHeat sinkSemiconductor power module平整度不佳的散熱器導(dǎo)致氣隙和散熱問題。四、四、MOSFETMOSFET器件選用器件選用（3）均勻涂抹滿足厚度要求的導(dǎo)熱硅脂硅脂厚度通常要

18、求：有銅底板模塊 100um；無銅底板模塊 50um；Heatsink202530 mEdgesMeasurement fins四、四、MOSFETMOSFET器件選用器件選用（4）使用正確的安裝力矩和安裝程序 設(shè)廠家推薦最大安裝力矩為Ms,則用戶安全使用的實際安裝力矩Mc一般應(yīng)為： 0.9*MsMc Ms按照正確的順序預(yù)緊、最終緊固螺釘；五、五、IGBTIGBT失效分析失效分析1、失效原因：1）設(shè)計因素： 過電應(yīng)力； 散熱不足； 容差偏?。?2）加工、測試、裝配因素（靜電損傷、機(jī)械損傷、過壓擊穿等）； 3）來料因素（批次問題、個別不良）2、失效分析方法：信息收集芯片解剖電應(yīng)力測試VGS，VDS，ID，TC來料測試加工跟蹤五、MOSFET失效分析五、IGBT失效分析3、失效案例a. SKM200GB124D 生產(chǎn)耐壓測試失效五、五、IGBTIGBT失效分析失效分析b、APT60GF120JRD 生產(chǎn)調(diào)測失效五、MOSFET失效分析c. SEMIX553GB128D 研發(fā)失效五、MOSFET失效分析d. SKM150GB124D 逆變IG