英飛凌芯片簡(jiǎn)史

作者：趙佳時(shí)間：2025-02-18 來源：英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體

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話說公元2018年，IGBT江湖驚現(xiàn)第六代和第七代的掌門人，一時(shí)風(fēng)頭無兩，各路吃瓜群眾紛紛猜測(cè)二位英雄的出身來歷。不禁有好事者梳理了一下英家這些年，獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的數(shù)代當(dāng)家掌門人，分別是：

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/202502/467026.htm

呃，好像分不清這都誰是誰?

呃，雖然這些IGBT“掌門人”表面看起來都一樣，但都是悶騷型的。只能脫了衣服，做個(gè)“芯”臟手術(shù)。。。

像這樣，在芯片上，橫著切一刀看看。

好像，有點(diǎn)不一樣了。。。

故事，就從這兒說起吧。。。

史前時(shí)代-PT

PT是最初代的IGBT，它使用重?fù)诫s的P+襯底作為起始層，在此之上依次生長(zhǎng)N+ buffer，N- base外延，最后在外延層表面形成元胞結(jié)構(gòu)。它因?yàn)榻刂箷r(shí)電場(chǎng)貫穿整個(gè)N-base區(qū)而得名。它工藝復(fù)雜，成本高，而且需要載流子壽命控制，飽和壓降呈負(fù)溫度系數(shù)，不利于并聯(lián)，雖然在上世紀(jì)80年代一度呼風(fēng)喚雨，但在80年代后期逐漸被NPT取代，目前已歸隱江湖，不問世事，英飛凌目前所有的IGBT產(chǎn)品均不使用PT技術(shù)。

初代盟主——IGBT2

特征：平面柵，非穿通結(jié)構(gòu)(NPT)

NPT-IGBT于1987年出山，很快在90年代成為江湖霸主。NPT與PT不同在于，它使用低摻雜的N-襯底作為起始層，先在N-漂移區(qū)的正面做成MOS結(jié)構(gòu)，然后用研磨減薄工藝從背面減薄到 IGBT 電壓規(guī)格需要的厚度，再?gòu)谋趁嬗秒x子注入工藝形成P+ collector。在截止時(shí)電場(chǎng)沒有貫穿N-漂移區(qū)，因此稱為“非穿通”型IGBT。NPT不需要載流子壽命控制，但它的缺點(diǎn)在于，如果需要更高的電壓阻斷能力，勢(shì)必需要電阻率更高且更厚的N-漂移層，這意味著飽和導(dǎo)通電壓Vce(sat)也會(huì)隨之上升，從而大幅增加器件的損耗與溫升。

技能：低飽和壓降，正溫度系數(shù)，125℃工作結(jié)溫，高魯棒性

因?yàn)镹-漂移區(qū)厚度大大降低了，因此Vce(sat)相比PT大大減少。正溫度系數(shù)，利于并聯(lián)。

名號(hào)：DLC，KF2C，S4…

等等，好像混進(jìn)了什么奇怪的東西！

沒寫錯(cuò)！S4真的不是IGBT4，它是根正苗紅的IGBT2，適用于高頻開關(guān)應(yīng)用，硬開關(guān)工作頻率可達(dá)40kHz。這一明星產(chǎn)品，至今銷路仍然不錯(cuò)。

性能飛躍--IGBT3

特征：溝槽柵，場(chǎng)截止（Field Stop）

IGBT3的出現(xiàn)，又在IGBT江湖上掀起了一場(chǎng)巨大的變革。IGBT3的元胞結(jié)構(gòu)從平面型變成了溝槽型。溝槽型IGBT中，電子溝道垂直于硅片表面，消除了JFET結(jié)構(gòu)，增加了表面溝道密度，提高近表面載流子濃度，從而使性能更加優(yōu)化。（平面柵與溝槽柵技術(shù)的區(qū)別可以參考我們之前發(fā)表過的文章“平面型與溝槽型IGBT結(jié)構(gòu)淺析”）。

縱向結(jié)構(gòu)方面，為了緩解阻斷電壓與飽和壓降之間的矛盾，英家于2000年推出了Field Stop IGBT，目標(biāo)在于盡量減少漂移區(qū)厚度，從而降低飽和電壓。場(chǎng)截止（Field Stop）IGBT起始材料和NPT相同，都是低摻雜的N-襯底，不同在于FS IGBT背面多注入了一個(gè)N buffer層，它的摻雜濃度略高于N-襯底，因此可以迅速降低電場(chǎng)強(qiáng)度，使整體電場(chǎng)呈梯形，從而使所需的N-漂移區(qū)厚度大大減小。此外，N buffer還可以降低P發(fā)射極的發(fā)射效率，從而降低了關(guān)斷時(shí)的拖尾電流及損耗。（了解更多NPT與場(chǎng)截止器件的區(qū)別請(qǐng)參考：PT，NPT，F(xiàn)S型IGBT的區(qū)別）。

技能：低導(dǎo)通壓降，125℃工作結(jié)溫（600V器件為150℃），開關(guān)性能優(yōu)化

得益于場(chǎng)截止以及溝槽型元胞，IGBT3的通態(tài)壓降更低，典型的Vce(sat)從第2代的典型的3.4到第3代的2.55V（3300V為例）。

名號(hào)：T3，E3，L3

IGBT3在中低壓領(lǐng)域基本已經(jīng)被IGBT4取代，但在高壓領(lǐng)域依然占主導(dǎo)地位，比如3300V，4500V，6500V的主流產(chǎn)品仍然在使用IGBT3技術(shù)。

中流砥柱--IGBT4

IGBT4是目前使用最廣泛的IGBT芯片技術(shù)，電壓包含600V，1200V，1700V，電流從10A到3600A，各種應(yīng)用中都可以見到它的身影。

特征：溝槽柵+場(chǎng)截止+薄晶圓

和IGBT3一樣，都是場(chǎng)截止+溝槽柵的結(jié)構(gòu)，但I(xiàn)GBT4優(yōu)化了背面結(jié)構(gòu)，漂移區(qū)厚度更薄，背面P發(fā)射極及N buffer的摻雜濃度及發(fā)射效率都有優(yōu)化。

技能：高開關(guān)頻率，優(yōu)化開關(guān)軟度，150℃工作結(jié)溫

IGBT4通過使用薄晶圓及優(yōu)化背面結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低了開關(guān)損耗，同時(shí)開關(guān)軟度更高。同時(shí)，最高允許工作結(jié)溫從第3代的125℃提高到了150℃，這無疑能進(jìn)一步增加器件的輸出電流能力。

名號(hào)：T4，E4，P4

T4是小功率系列，開關(guān)頻率最高20kHz。

E4適合中功率應(yīng)用，開關(guān)頻率最高8kHz。

P4對(duì)開關(guān)軟度進(jìn)行了更進(jìn)一步優(yōu)化，更適合大功率應(yīng)用，開關(guān)頻率最高3kHz。

土豪登場(chǎng)--IGBT5

“土豪金” 芯片

特征：溝槽柵+場(chǎng)截止+表面覆蓋銅

IGBT5是所有IGBT系列里最土豪的產(chǎn)品，別的芯片表面金屬化都用的鋁，而IGBT使用厚銅代替了鋁，銅的通流能力及熱容都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋁，因此IGBT5允許更高的工作結(jié)溫及輸出電流。同時(shí)芯片結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化，芯片厚度進(jìn)一步減小。

技能：175℃工作結(jié)溫，1.5V飽和電壓，輸出電流能力提升30%

因?yàn)镮GBT5表面覆銅，并且在模塊封裝中采用了先進(jìn)的.XT封裝工藝，因此工作結(jié)溫可以達(dá)到175℃。芯片厚度相對(duì)于IGBT4進(jìn)一步減薄，使得飽和壓降更低，輸出電流能力提升30%。

名號(hào)：E5，P5

目前IGBT5的芯片只封裝在PrimePACK?里，電壓也只有1200V，1700V，代表產(chǎn)品FF1200R12IE5，F(xiàn)F1800R12IP5。

真假李逵--TRENCHSTOP?5

在單管界，有一類產(chǎn)品叫TRENCHSTOP?5。經(jīng)常聽到有人問H5、F5、S5、L5是不是IGBT5？嚴(yán)格意義來講并不是，雖然名字里都帶5，但是H5、F5、S5這些單管的5系列，屬于另外一個(gè)家族叫TRENCHSTOP?5。這個(gè)家族沒有“黃金甲”加持，基因也和IGBT5不一樣。

特征：精細(xì)化溝槽柵+場(chǎng)截止

雖然都叫溝槽柵，但TRENCHSTOP?5長(zhǎng)得還是和前輩們大相徑庭。它的溝道更密，電流密度更高。在達(dá)到最佳操作性能同時(shí)，并不具備短路能力。

技能：175℃最大工作結(jié)溫，高開關(guān)頻率，無短路能力

性能和短路，永遠(yuǎn)是一對(duì)矛盾體。為了追求卓越的性能，TRENCHSTOP?5犧牲掉了短路時(shí)間。TRENCHSTOP?5可以根據(jù)應(yīng)用目的不同，取得極低的導(dǎo)通損耗，或者極高的開關(guān)頻率，開關(guān)頻率最高可達(dá)70~100kHz，而導(dǎo)通壓降最低可低至1.05V。

名號(hào)：H5，F(xiàn)5，S5，L5

TRENCHSTOP?5目前只有650V的器件，并且都是分立器件。這一系列產(chǎn)品針對(duì)不同的應(yīng)用進(jìn)行了通態(tài)損耗和開關(guān)損耗的優(yōu)化。其中H5/F5適合高頻應(yīng)用，L5導(dǎo)通損耗最低。TRENCHSTOP?5各個(gè)產(chǎn)品在折衷曲線上的位置如下圖所示。