IGBT的七代发展史

gaosmile

话说公元2018年，IGBT江湖惊现第六代和第七代的掌门人，一时风头无两，各路吃瓜群众纷纷猜测二位英雄的出身来历。不禁有好事者梳理了一下英家这些年，独领风骚的数代当家掌门人，分别是：

呃，好像分不清这都谁是谁?呃，虽然这些IGBT“掌门人”表面看起来都一样，但都是闷骚型的。只能脱了衣服，做个“芯”脏手术。。。

像这样，在芯片上，横着切一刀看看。

好像，有点不一样了。。。
故事，就从这儿说起吧。。。

史前时代-PT

PT是最初代的IGBT，它使用重掺杂的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。它因为截止时电场贯穿整个N-base区而得名。它工艺复杂，成本高，而且需要载流子寿命控制，饱和压降呈负温度系数，不利于并联，虽然在上世纪80年代一度呼风唤雨，但在80年代后期逐渐被NPT取代，目前已归隐江湖，不问世事，英飞凌目前所有的IGBT产品均不使用PT技术。

初代盟主——IGBT2

特征：平面栅，非穿通结构(NPT)
NPT-IGBT于1987年出山，很快在90年代成为江湖霸主。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，因此称为“非穿通”型IGBT。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。
技能：低饱和压降，正温度系数，125℃工作结温，高鲁棒性
因为N-漂移区厚度大大降低了，因此Vce(sat)相比PT大大减少。正温度系数，利于并联。
名号：DLC，KF2C，S4…
等等，好像混进了什么奇怪的东西！
没写错！S4真的不是IGBT4，它是根正苗红的IGBT2，适用于高频开关应用，硬开关工作频率可达40kHz。这一明星产品，至今销路仍然不错。

性能飞跃--IGBT3

特征：沟槽栅，场截止（Field Stop）
IGBT3的出现，又在IGBT江湖上掀起了一场巨大的变革。IGBT3的元胞结构从平面型变成了沟槽型。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。（平面栅与沟槽栅技术的区别可以参考我们之前发表过的文章“平面型与沟槽型IGBT结构浅析”）。
纵向结构方面，为了缓解阻断电压与饱和压降之间的矛盾，英家于2000年推出了Field Stop IGBT，目标在于尽量减少漂移区厚度，从而降低饱和电压。场截止（Field Stop）IGBT起始材料和NPT相同，都是低掺杂的N-衬底，不同在于FS IGBT背面多注入了一个N buffer层，它的掺杂浓度略高于N-衬底，因此可以迅速降低电场强度，使整体电场呈梯形，从而使所需的N-漂移区厚度大大减小。此外，N buffer还可以降低P发射极的发射效率，从而降低了关断时的拖尾电流及损耗。（了解更多NPT与场截止器件的区别请参考：PT，NPT，FS型IGBT的区别）。
技能：低导通压降，125℃工作结温（600V器件为150℃），开关性能优化
得益于场截止以及沟槽型元胞，IGBT3的通态压降更低，典型的Vce(sat)从第2代的典型的3.4到第3代的2.55V（3300V为例）。
名号：T3，E3，L3
IGBT3在中低压领域基本已经被IGBT4取代，但在高压领域依然占主导地位，比如3300V，4500V，6500V的主流产品仍然在使用IGBT3技术。

中流砥柱--IGBT4

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，各种应用中都可以见到它的身影。

特征：沟槽栅+场截止+薄晶圆
和IGBT3一样，都是场截止+沟槽栅的结构，但IGBT4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。
技能：高开关频率，优化开关软度，150℃工作结温
IGBT4通过使用薄晶圆及优化背面结构，进一步降低了开关损耗，同时开关软度更高。同时，最高允许工作结温从第3代的125℃提高到了150℃，这无疑能进一步增加器件的输出电流能力。
名号：T4，E4，P4
T4是小功率系列，开关频率最高20kHz。
E4适合中功率应用，开关频率最高8kHz。
P4对开关软度进行了更进一步优化，更适合大功率应用，开关频率最高3kHz。

土豪登场--IGBT5

“土豪金” 芯片
特征：沟槽栅+场截止+表面覆盖铜
IGBT5是所有IGBT系列里最土豪的产品，别的芯片表面金属化都用的铝，而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。
技能：175℃工作结温，1.5V饱和电压，输出电流能力提升30%
因为IGBT5表面覆铜，并且在模块封装中采用了先进的.XT封装工艺，因此工作结温可以达到175℃。芯片厚度相对于IGBT4进一步减薄，使得饱和压降更低，输出电流能力提升30%。
名号：E5，P5
目前IGBT5的芯片只封装在PrimePACK™里，电压也只有1200V，1700V，代表产品FF1200R12IE5，FF1800R12IP5。

真假李逵--TRENCHSTOP™5

在单管界，有一类产品叫TRENCHSTOP™5。经常听到有人问H5、F5、S5、L5是不是IGBT5？严格意义来讲并不是，虽然名字里都带5，但是H5、F5、S5这些单管的5系列，属于另外一个家族叫TRENCHSTOP™5。这个家族没有“黄金甲”加持，基因也和IGBT5不一样。

特征：精细化沟槽栅+场截止
虽然都叫沟槽栅，但TRENCHSTOP™5长得还是和前辈们大相径庭。它的沟道更密，电流密度更高。在达到最佳操作性能同时，并不具备短路能力。
技能：175℃最大工作结温，高开关频率，无短路能力
性能和短路，永远是一对矛盾体。为了追求卓越的性能，TRENCHSTOP™5牺牲掉了短路时间。TRENCHSTOP™5可以根据应用目的不同，取得极低的导通损耗，或者极高的开关频率，开关频率最高可达70~100kHz，而导通压降最低可低至1.05V。
名号：H5，F5，S5，L5
TRENCHSTOP™5目前只有650V的器件，并且都是分立器件。这一系列产品针对不同的应用进行了通态损耗和开关损耗的优化。其中H5/F5适合高频应用，L5导通损耗最低。TRENCHSTOP™5各个产品在折衷曲线上的位置如下图所示。

后起之秀--IGBT6

6掌门虽然和4掌门之间隔了个5，但6其实是4的优化版本，依然是沟槽栅+场截止。IGBT6目前只在单管中有应用。
特征：沟槽栅+场截止
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。
技能：175℃最大工作结温，Rg可控，3us短路
IGBT6目前发布的有2个系列的产品，S6导通损耗低，Vce(sat) 1.85V; H6开关损耗低，相比于H3，开关损耗降低15%。
名号：S6,H6
IGBT6只有单管封装的产品，例如：IKW15N12BH6，IKW40N120CS6，封装有TO-247 3pin，TO-247 plus 3pin，TO-247 plus 4pin。

万众瞩目--IGBT7

IGBT经数代，厚积薄发，2018年终于迎来了万众瞩目的IGBT7。

特征：微沟槽栅+场截止
虽然都是沟槽栅，但多了一个微字，整个结构就大不一样了。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。
更多IGBT7信息，请参考：1200V IGBT7和Emcon7可控性更佳，助力提升变频器系统性能。
技能：175℃过载结温，dv/dt可控
IGBT7 Vce(sat)相比IGBT4降低20%，可实现最高175℃的暂态工作结温。
名号：T7,E7
代表产品有：FP25R12W1T7。T7专为电机驱动器优化，可以实现5kv/us下最佳性能。E7应用更广泛，电动商用车主驱，光伏逆变器等。
一张表看懂IGBT1234567

有道是，

江山代有才人出，各领风骚没两年。7已经羽翼渐丰，独挡一面，8还会远吗？
让我们拭目以待吧！

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wudianjun2001

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