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沟槽发射极厚度采用新型IGBT优化软开关应用中的损耗

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IGBT技术进步主要体现在两个方面:通过采用和改进沟槽栅来优化垂直方向载流子浓度,以及利用“场终止”概念(也有称为“软穿通”或“轻穿通”)降低晶圆n衬底的厚度。

此外,带有单片二极管的IGBT概念也经常被探讨。首先投产的逆导型IGBT是针对电子镇流器应用进行优化的,被称之为“LightMOS”。本文介绍了集成续流二极管(FWD)的1200V RC-IGBT,并将探讨面向软开关应用的1,200V逆导型IGBT所取得的重大技术进步。

TrenchStop和RC-IGBT技术

在采用的TrenchStop技术中,沟槽栅结合了场终止概念(见图1中的IGBT)。由于发射极(阴极)附近的载流子浓度提高,沟槽栅可使得导通损耗降低。场终止概念是NPT概念的进一步发展,包含一个额外的植入晶圆背面的n掺杂层。

将场终止层与高电阻率的晶圆衬底结合起来,能使器件的厚度减少大约三分之一,同时保持相同的阻断电压。随着晶圆厚度的降低,导通损耗和关断损耗也可进一步降低。场终止层掺杂度低,因此不会影响背面植入的低掺杂p发射极。为了实现RC-IGBT,二极管的部分n掺杂背面阴极(图1)将与IGBT集电极下面的p发射极结合起来。

RC-IGBT的沟槽栅概念所基于的技术与传统的TrenchStop-IGBT(见图2)相同,但针对软开关应用所需的超低饱和压降Vce(sat)进行了优化,比如电磁炉或微波炉应用。数以万计的沟槽栅通过金属(铝)相连,该金属铝层同时也是连线区。栅极和发射极之间的区域和端子被嵌入绝缘亚胺薄膜里。最新的投产型RC2-IGBT,其沟槽栅极更小,与标准TrenchStop-IGBT相比要多出150%的沟槽栅单元。图3为基于TrenchStop技术的最新一代RC2-IGBT的沟槽栅截面图。

超薄晶圆技术

由于导通电压和关断损耗在很大程度上取决于晶圆的厚度,因此需要做更薄的IGBT。图4显示了英飞凌600/1,200V IGBT和EMCON二极管的晶圆厚度趋势。对于新型1,200V RC-IGBT而言,120um厚度晶圆将是标准工艺。这需要进行复杂的晶圆处理,包括用于正面和背面的特殊处理设备。将晶圆变薄可通过晶圆打磨和湿式化学蚀刻工艺实现。

新型RC2-IGBT的优势

来自英飞凌的新型RC2-IGBT系列产品是以成熟的TrenchStop技术为基础的,具有超低饱和压降。此外,IGBT还集成了一个功能强大且正向电压超低的二极管。

新型RC2-IGBT的优势是针对软开关应用(比如微波炉、电磁炉和感应加热型电饭煲)进行优化的定制解决方案。与以前的器件相比,RC2-IGBT可提升性能,降低饱和压降损耗。这可导致非常低的总体损耗,因此所需的散热器更小。另外一个优势是最大结温被提高到TvJ(max)=175℃,比普通IGBT芯片提高了25℃。这种结温已通过TO-247无铅封装的应用验证。

图1:应用TrenchStop技术的RC-IGBT

图2 :RC-IGBT芯片(IHW20N120R)前视图

图3:基于TrenchStop技术的最新一代RC2-IGBT的沟槽栅截面图(沟槽栅里的洞是为分析准备)

图4 :IGBT和二极管晶圆厚度变化

在典型饱和压降Vce(sat)=1.6V@25℃/1.85V@175℃和典型正向电压Vf=1.25V@175℃(额定电流)的条件下,功率损(特别是软开关应用的导通损耗)可大幅度降低。由IHW20N120R2的下降时间的切线可看出高速度—tf=24ns@25℃和Rg=30Ω(44ns@175℃)。IHW30120R2在下降时间方面是最为出色的:tf=33ns@25℃,Rg=30Ω;tf=40ns@175℃。(在硬开关条件下测量,参见带有Eoff曲线的图6和图7)。

图5 :来自英飞凌科技的最新一代RC2-IGBT(IHWxxN120R2,xx=15A、20A、25A和30A)。采用无铅电镀TO-247封装

图6 : 在硬开关条件下,175℃结温以及室温下IHW20N120R2(IN=20A,Vces=1,200V)和IHW30N120R2(IN=30A)的下降时间切线


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