IGBT的技术发展趋势

    在开发IGBT的技术中，随着产品的更新换代，制造技术不断提高，精细加工也成为可能。现在，功率器件主要采用1μm以下的加工尺寸。

   (1) IGBT从第一代到第四代的进化。表1-5示出每一代产品UCE(sat)及tf的标准特性。随着从第一代向第四代的进化，估计UCE(sat)可降低50%，tf可提高50%~ 60%。

    表1-5    几代变迁与特性改进（标准特性）

    代别

    UCE(sat) (V)

    tf（μs）

    第1代

    3.0

    0.50

    第2代

    2.8

    0.30

    第2.5代

    2.4

    0.25

    第3代

    2.0

    0.25

    笫4代

    1.5

    0.25

   (2)采用沟槽式栅极结构缩小芯片尺寸。从第三代向第四代发展过程中，通过从芯片表面向芯片内部沟槽式形成栅极，使精细加工成为可能。因为栅极的制作是从芯片表面向芯片内部挖一条沟，故将此结构称为沟槽结构。

    由于栅极沟槽化，使单胞单元尺寸缩小到原来的1/5。降低了MOSFET的沟道电阻，提高了单位芯片面积的电流密度。能制造同样额定电流而芯片尺寸最小的产品。

   (3)采用新材料改进产品特性。下一代的发展趋势之一是采用替代Si的新型材料改进产品特性。第二是通过寿命时间控制法，局部制作窗口，减少UCE(sat)的依赖特性，不提高UCE(sat)就能使开关特性达到高速化。第三是借助精细加工降低MOS部分的沟道电阻。利用这些方式，就能使开关特性与MOSFET相同，UCE(sat)与晶闸管相同的状况成为现实。

   (4) IGBT研发新进展。IGBT（绝缘栅双极晶体管）作为新型电力半导体场控自关断器件，集功率MOSFET的高速性能与双极性器件的低电阻于一体，具有输入阻抗高，栅极为电压控制，功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，在各种电力变换中获得极广泛的应用。与此同时，各半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐太、大电流、高速、低饱和压降、高可靠、低成本技术，主要采用1μm以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。

   IGBT应用范围一般都在600V、1kA、1kHz以上区域，为满足家电行业的发展需求，摩托罗拉、ST半导体、三菱等公司推出低功率IGBT产品，适用于家电行业的微波炉、洗衣机、电磁灶、电子镇流器、照相机等产品。

   1) U-IGBT。U（沟槽结构）-IGBT是在管芯上刻槽，芯片元胞内部形成沟槽式栅极。采用沟道结构后，可进一步缩小元胞尺寸、减少沟道电阻、提高电流密度，制造相同额定电流而芯片尺寸最小的产品。现有多家公司生产各种U-IGBT产品，适用低电压驱动、表面贴装的要求。

   2) NPT-IGBT。NPT（非穿通型）-IGBT采用薄硅片技术，以离子注入发射区代替高复杂、高成本的厚层高阻外延，可降低生产成本25%左右，耐压越高成本差越大，在性能上更具特色，高速、低损耗、正温度系数，无锁定效应，在设计600~ 1200V的IGBT时，NPT-IGBT可靠性最高。西门子公司可提供600、1200、1700V系列产品和6500V高压IGBT，并推出低饱和压降DLC型NPT-IGBT，依克赛斯、哈里斯、英特西尔、东芝等公司也相继研制出NPT-IGBT及其模块系列，富士电机、摩托罗拉等在研制之中，NPT型正成为IGBT发展方向。

   3) SDB-IGBT。鉴于目前厂家对IBGT的开发非常重视，三星、快捷等公司采用SDB（硅片直接键合）技术，在IC生产线上制作第4代高速IGBT及模块系列产品，特点为高速，低饱和压降，低拖尾电流，正温度系数易于并联，在600V和1200V电压范围性能优良，分为UF、RUF两大系统。

   4)超快速IGBT。国际整流器IR公司的研发重点在于减少IGBT的拖尾效应，使其能快速关断，研制的超快速IGBT可最大限度地减少拖尾效应，关断时间不超过2000ns。采用特殊高能照射分层技术，关断时间可在100ns以下，拖尾更短。重点产品专为电动机控制而设计，现在6种型号，另可用在大功率电源变换器中。

   5) IGBT/FRD。IR公司在IGBT基础上推出两款结合FRD（快速恢复二极管）的新型器件，IGBT/FRD有效结合，将转换状态的损耗减少20%，采用TO - 247外型封装，额定规格为1200V，25、50、75、100A，用于电动机驱动和功率转换，以IGBT及FRD为基础的新技术便于器件并联，在多芯片模块中实现更平均的温度，提高整体可靠性。

   6) IGBT功率模块。IGBT功率模块采用IC驱动，各种驱动保护电路，高性能IGBT芯片，新型封装技术，从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。PIM向高压大电流发展，其产品水平为1200~1800A/1800~ 3300V，IPM除用于变频调速外，600A/2000V的IPM已用于电力机车WVF逆变器。平面低电感封装技术是大电流IGBT多芯片并联的关键工艺，美国海军开发出以IGBT模块为有源器件的PEBB，用于舰艇上的导弹发射装置。IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术组装PEBB，大大降低电路接线电感，提高系统效率，现已开发成功第2代IPEM，其中所有的无源元件均以理层方式掩埋在衬底中，智能化、模块化正成为IGBT发展热点。