具有高溫工作能力的1700V SPT+ IGBT和二極管芯片組

作者：時(shí)間：2012-05-25 來源：網(wǎng)絡(luò)

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  技術(shù)方案與實(shí)用技巧

1簡介

本文引用地址：http://2s4d.com/article/230468.htm

過去幾年，功率半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢(shì)，主要集中在對(duì)給定的應(yīng)用提高功率密度。但當(dāng)考慮到工作時(shí)的總功耗、安全工作區(qū)容限和允許的最大結(jié)溫時(shí)，這種性能指標(biāo)受到挑戰(zhàn)。隨著最先進(jìn)的IGBT正慢慢接近損耗降低的極限，提高最大結(jié)溫已成為當(dāng)今功率器件開發(fā)的主要?jiǎng)恿χ弧Ｓ捎跓崃鞲鷾夭畛烧?，如果半?dǎo)體器件允許的結(jié)溫更高，將為產(chǎn)生的熱量提供更好的傳導(dǎo)，進(jìn)而增加給定器件面積的功率密度。

從2005年開始，平面SPT+技術(shù)已成功引入到從1.2kV到6.5kV不同的電壓等級(jí)中^[1][2]。本文將介紹一種改進(jìn)了的1700VSPT+芯片組。其研發(fā)應(yīng)用于額定值3.6kA/ 1700V HiPak2模塊封裝，且指定工作結(jié)溫為T_j=150℃。SPT+技術(shù)可使導(dǎo)通損耗減小，加之它具有比25℃更高（可能是125℃，疑誤—譯者）的溫度承受能力，故同當(dāng)前典型的水冷應(yīng)用的SPT一代相比，新型的1700V SPT+IGBT模塊在頻率從250Hz變化到1000Hz時(shí)逆變器輸出電流增加了20％，如圖1所示。

圖1逆變器輸出電流隨開關(guān)頻率變化：1700V SPT與SPT+HiPak2對(duì)比2 1700V SPT+高溫 芯片組技術(shù)

2.1 SPT+高溫IGBT技術(shù)

同原始的平面IGBT元胞相比，SPT+技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是在減小導(dǎo)通損耗的同時(shí)，保留了具有相同開關(guān)控制能力的SPT（軟穿通）縱向設(shè)計(jì)。上述優(yōu)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，是通過在IGBT MOS單元的P－well周圍引入一個(gè)N型增強(qiáng)層來實(shí)現(xiàn)的，如圖2剖面結(jié)構(gòu)所示。增強(qiáng)層增大了IGBT陰極端的載流子濃度，因此，在沒有顯著增加關(guān)斷損耗的同時(shí)使導(dǎo)通壓降降低。N型增強(qiáng)層的雜質(zhì)分布形式是仔細(xì)優(yōu)化了的，以避免任何對(duì)SPT+IGBT的關(guān)斷安全工作區(qū)及耐壓能力的負(fù)面影響。1700V SPT+IGBT的最終設(shè)計(jì)將勝過具有相同面積的以往SPT產(chǎn)品，它的導(dǎo)通損耗更低而關(guān)斷損耗與SPT相當(dāng)，可多承受20％的電流。

為確保在T_j=150℃時(shí)能可靠工作，引入了一種基于偏置環(huán)概念^[3]的新型終端設(shè)計(jì)。這里環(huán)的互連是通過一個(gè)半絕緣層來實(shí)現(xiàn)的，正如剖面圖2所示。同基于結(jié)終端擴(kuò)展概念的以往產(chǎn)品相比較，已證明，這種終端設(shè)計(jì)在能提供更窄的漏電流分布的同時(shí)，不受內(nèi)部環(huán)間距變化和界面態(tài)的影響。已獲得一個(gè)非常好的耐壓能力和反向漏電典型值，這將確保器件在1700V、溫度高達(dá)165℃、R_th=1.2kV時(shí)穩(wěn)定工作。

圖21700V SPT+IGBT元胞及終端示意圖

圖 31700V SPT+二極管示意圖及載流子壽命分布圖

2.2 SPT+高溫二極管技術(shù)

圖3顯示了一個(gè)SPT+二極管的剖面圖。SPT+二極管采用了與標(biāo)準(zhǔn)SPT技術(shù)相同的設(shè)計(jì)，即利用了一個(gè)重?fù)诫sP+發(fā)射極。通過利用局部和整體載流子壽命控制，二極管中等離子體的分布符合低正向壓降和軟反向恢復(fù)要求^[4]。局部壽命控制是通過質(zhì)子（H+）輻照代替前一代二極管產(chǎn)品中所應(yīng)用的氦（He++）輻照而得到的。已經(jīng)證明這種技術(shù)可有效減小復(fù)合能級(jí)的產(chǎn)生率( 它決定著耗盡層載流子的產(chǎn)生)，因此,使高溫下漏電流顯著減小^[5]。優(yōu)化了硅設(shè)計(jì)和終端設(shè)計(jì)，以提供更高的阻斷容限。

3 1700V SPT+ 高溫芯片的性能

為應(yīng)用于1700V HiPak2模塊中，對(duì)這種芯片組進(jìn)行了特殊優(yōu)化。1700V HiPak2模塊的額定電流值為3.6kA，適用于T_j=150℃工作。由于綜合了大電流和大寄生電感，這種應(yīng)用對(duì)軟而可控的開通，關(guān)斷轉(zhuǎn)換要求很高。因此，將從芯片和模塊級(jí)測(cè)試，討論芯片組的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。

3.1靜態(tài)特性

圖4給出了T_j=150℃時(shí)不同柵壓下，1700V SPT+IGBT芯片所測(cè)得的通態(tài)曲線。標(biāo)稱電流下典型的通態(tài)壓降（V_CE，on），在T_j=125℃時(shí)為2.95V，T_j=150℃時(shí)為3.1V。從低電流開始，SPT+IGBT的通態(tài)壓降（V_CE，on）就表現(xiàn)出強(qiáng)正溫度系數(shù)。它保證了有同模塊中各芯片間電流的良好分配。如圖5所示，結(jié)溫為T_j=150℃時(shí)，測(cè)得的1700V二極管典型正向電壓為2.15V。在標(biāo)稱電流一半處，二極管（導(dǎo)通壓降）也表現(xiàn)出了正的溫度系數(shù)。這是優(yōu)化局部載流子壽命分布的結(jié)果。在標(biāo)稱電流下，工作在室溫和125℃時(shí)的壓降差為250mV，這也確保了芯片并聯(lián)時(shí)的安全。正如圖6看到的，高溫反向阻斷下，與之前的SPT二極管工藝平臺(tái)相比，二極管的漏電流減小了兩倍多。