采用新型IGBT優(yōu)化軟開關應用中的損耗

IGBT技術進步主要體現(xiàn)在兩個方面：通過采用和改進溝槽柵來優(yōu)化垂直方向載流子濃度，以及利用“場終止”概念(也有稱為“軟穿通”或“輕穿通”)降低晶圓n襯底的厚度。

此外，帶有單片二極管的IGBT概念也經常被探討。首先投產的逆導型IGBT是針對電子鎮(zhèn)流器應用進行優(yōu)化的，被稱之為“LightMOS”。本文介紹了集成續(xù)流二極管(FWD)的1200V RC-IGBT，并將探討面向軟開關應用的1,200V逆導型IGBT所取得的重大技術進步。

TrenchStop和RC-IGBT技術

在采用的TrenchStop技術中，溝槽柵結合了場終止概念(見圖1中的IGBT)。由于發(fā)射極(陰極)附近的載流子濃度提高，溝槽柵可使得導通損耗降低。場終止概念是NPT概念的進一步發(fā)展，包含一個額外的植入晶圓背面的n摻雜層。

將場終止層與高電阻率的晶圓襯底結合起來，能使器件的厚度減少大約三分之一，同時保持相同的阻斷電壓。隨著晶圓厚度的降低，導通損耗和關斷損耗也可進一步降低。場終止層摻雜度低，因此不會影響背面植入的低摻雜p發(fā)射極。為了實現(xiàn)RC-IGBT，二極管的部分n摻雜背面陰極(圖1)將與IGBT集電極下面的p發(fā)射極結合起來。

RC-IGBT的溝槽柵概念所基于的技術與傳統(tǒng)的TrenchStop-IGBT(見圖2)相同，但針對軟開關應用所需的超低飽和壓降Vce(sat)進行了優(yōu)化，比如電磁爐或微波爐應用。數(shù)以萬計的溝槽柵通過金屬(鋁)相連，該金屬鋁層同時也是連線區(qū)。柵極和發(fā)射極之間的區(qū)域和端子被嵌入絕緣亞胺薄膜里。最新的投產型RC2-IGBT，其溝槽柵極更小，與標準TrenchStop-IGBT相比要多出150%的溝槽柵單元。圖3為基于TrenchStop技術的最新一代RC2-IGBT的溝槽柵截面圖。

超薄晶圓技術

由于導通電壓和關斷損耗在很大程度上取決于晶圓的厚度，因此需要做更薄的IGBT。圖4顯示了英飛凌600/1,200V IGBT和EMCON二極管的晶圓厚度趨勢。對于新型1,200V RC-IGBT而言，120um厚度晶圓將是標準工藝。這需要進行復雜的晶圓處理，包括用于正面和背面的特殊處理設備。將晶圓變薄可通過晶圓打磨和濕式化學蝕刻工藝實現(xiàn)。

新型RC2-IGBT的優(yōu)勢

來自英飛凌的新型RC2-IGBT系列產品是以成熟的TrenchStop技術為基礎的，具有超低飽和壓降。此外，IGBT還集成了一個功能強大且正向電壓超低的二極管。

新型RC2-IGBT的優(yōu)勢是針對軟開關應用(比如微波爐、電磁爐和感應加熱型電飯煲)進行優(yōu)化的定制解決方案。與以前的器件相比，RC2-IGBT可提升性能，降低飽和壓降損耗。這可導致非常低的總體損耗，因此所需的散熱器更小。另外一個優(yōu)勢是最大結溫被提高到TvJ(max)=175℃，比普通IGBT芯片提高了25℃。這種結溫已通過TO-247無鉛封裝的應用驗證。

圖1：應用TrenchStop技術的RC-IGBT

圖2 ：RC-IGBT芯片(IHW20N120R)前視圖

圖3：基于TrenchStop技術的最新一代RC2-IGBT的溝槽柵截面圖(溝槽柵里的洞是為分析準備)

圖4 ：IGBT和二極管晶圓厚度變化