大功率IGBT技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)_第1頁(yè)
大功率IGBT技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)_第2頁(yè)
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大功率IGBT技術(shù)現(xiàn)狀及其開展趨勢(shì)p-e-china2023-2-2110:40:35來源:中國(guó)電力電子產(chǎn)業(yè)網(wǎng)電力電子論壇摘要:本文分別從IGBT芯片體結(jié)構(gòu)、反面集電極區(qū)結(jié)構(gòu)和正面MOS結(jié)構(gòu)出發(fā),系統(tǒng)分析了大功率IGBT芯片的技術(shù)現(xiàn)狀與特點(diǎn),從芯片焊接與電極互連兩方面全面介紹了IGBT模塊封裝技術(shù),并從新結(jié)構(gòu)、新工藝及新材料技術(shù)三方面分析了IGBT技術(shù)未來的開展方向。關(guān)鍵詞:絕緣柵雙極晶體管;芯片;模塊;結(jié)構(gòu);封裝技術(shù);1引言絕緣柵雙極晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)是在金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)和雙極晶體管(Bipolar)根底上開展起來的一種新型復(fù)合功率器件,具有MOS輸入、雙極輸出功能。IGBT集Bipolar器件通態(tài)壓降小、載流密度大、耐壓高和功率MOSFET驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)于一身。作為電力電子變換器的核心器件,為應(yīng)用裝置的高頻化、小型化、高性能和高可靠性奠定了根底[1]。自IGBT商業(yè)化應(yīng)用以來,作為新型功率半導(dǎo)體器件的主型器件,IGBT在1—100kHz的頻率應(yīng)用范圍內(nèi)占據(jù)重要地位,其電壓范圍為600V—6500V,電流范圍為1A—3600A(140mmx190mm模塊)。IGBT廣泛應(yīng)用于工業(yè)、4C(通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、汽車電子)、航空航天、國(guó)防軍工等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域以及軌道交通、新能源、智能電網(wǎng)、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。采用IGBT進(jìn)行功率變換,能夠提高用電效率和質(zhì)量,具有高效節(jié)能和綠色環(huán)保的特點(diǎn),是解決能源短缺問題和降低碳排放的關(guān)鍵支撐技術(shù),因此被稱為功率變流產(chǎn)品的“CPU〞、“綠色經(jīng)濟(jì)之核〞。在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),為適應(yīng)全球降低CO2排放的戰(zhàn)略需要,IGBT必將扮演更為重要的角色,是節(jié)能技術(shù)和低碳經(jīng)濟(jì)的重要支點(diǎn)。目前,世界各大功率半導(dǎo)體公司對(duì)IGBT的研發(fā)熱潮日益高漲,研究步伐和技術(shù)革新日益加快,IGBT芯片的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)廠家有英飛凌(Infineon)、ABB、三菱(MitsubishiElectric)、Dynex(中國(guó)南車,CSR)、IXYSCorporation、InternationalRectifier、Powerex、Philips、Motorola、FujiElectric、Hitachi、Toshiba等,主要集中在歐、美、日等國(guó)家。因?yàn)榉N種原因,國(guó)內(nèi)在IGBT技術(shù)研究開發(fā)方面雖然起步較早,但進(jìn)展緩慢,特別是在IGBT產(chǎn)業(yè)化方面尚處于起步階段,作為全球最大的IGBT應(yīng)用市場(chǎng),IGBT模塊主要依賴進(jìn)口。近年來,在國(guó)家宏觀政策的引導(dǎo)和組織下,國(guó)內(nèi)企業(yè)通過各種途徑在IGBT芯片、模塊等領(lǐng)域已經(jīng)取得很多可喜的進(jìn)展,中國(guó)南車通過并購(gòu)英國(guó)Dynex半導(dǎo)體,充分利用歐洲豐富的技術(shù)資源,成立功率半導(dǎo)體海外研發(fā)中心,迅速掌握了先進(jìn)的1200V-6500VIGBT芯片設(shè)計(jì)、工藝制造及模塊封裝技術(shù),并且在株洲建設(shè)了一條先進(jìn)的8英寸IGBT芯片及其封裝生產(chǎn)線,并將于2023年初實(shí)現(xiàn)IGBT芯片量產(chǎn)。在模塊封裝技術(shù)方面,國(guó)內(nèi)根本掌握了傳統(tǒng)的焊接式封裝技術(shù),其中中低壓IGBT模塊封裝廠家較多,高壓IGBT模塊封裝主要集中在南車與北車兩家公司。與國(guó)外公司相比,技術(shù)上的差距依然存在。國(guó)外公司基于傳統(tǒng)封裝技術(shù)相繼研發(fā)出多種先進(jìn)封裝技術(shù),能夠大幅提高模塊的功率密度、散熱性能與長(zhǎng)期可靠性,并初步實(shí)現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用。2技術(shù)現(xiàn)狀2.1IGBT芯片技術(shù)IGBT芯片在結(jié)構(gòu)上是由數(shù)萬(wàn)個(gè)元胞(重復(fù)單元)組成,工藝上采用大規(guī)模集成電路技術(shù)和功率器件技術(shù)制造而成[2]。每個(gè)元胞結(jié)構(gòu)如下列圖2所示,可將其分成體結(jié)構(gòu)、正面MOS結(jié)構(gòu)及反面集電極區(qū)結(jié)構(gòu)三局部。商用IGBT的體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的開展經(jīng)歷了從穿通(PunchThrough,PT)到非穿通(NonPunchThrough,NPT),再到軟穿通(SoftPunchThrough,SPT)的過程,如圖3所示[3]。而在穿通結(jié)構(gòu)之前,IGBT的體結(jié)構(gòu)是基于厚晶圓擴(kuò)散工藝的非穿通結(jié)構(gòu),背部空穴的注入效率很高,由于器件內(nèi)部的寄生晶閘管結(jié)構(gòu),IGBT在工作時(shí)容易發(fā)生閂鎖,因此很難實(shí)現(xiàn)商用。隨著外延技術(shù)的開展,引入了N型緩沖層形成穿通結(jié)構(gòu),降低了背部空穴注入效率,并實(shí)現(xiàn)了批量應(yīng)用,但由于外延工藝的特點(diǎn),限制了高壓IGBT的開展,其最高電壓等級(jí)為1700V。隨著區(qū)熔薄晶圓技術(shù)開展,基于N型襯底的非穿通結(jié)構(gòu)IGBT推動(dòng)了電壓等級(jí)不斷提高,并通過空穴注入效率控制技術(shù)使IGBT具有正溫度系數(shù),能夠較好地實(shí)現(xiàn)并聯(lián)應(yīng)用,提高了應(yīng)用功率等級(jí)。隨著電壓等級(jí)不斷提高,芯片襯底厚度也迅速增加,并最終導(dǎo)致通態(tài)壓降增大,為了優(yōu)化通態(tài)壓降與耐壓的關(guān)系,局部穿通結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生,ABB稱之為軟穿通(SoftPunchThrough,SPT)[4],英飛凌稱之為電場(chǎng)截止(FieldStop,F(xiàn)S)[5],三菱稱之為弱穿通(LightPunchThrough,LPT)[6],IXYS稱之為超薄穿通(eXtremelylightPunchThrough,XPT),以及其他的薄穿通(ThinPunchThrough,TPT)和受控穿通(ControlledPunchThrough,CPT)[7]等各種不同的稱呼。在相同的耐壓能力下,軟穿通結(jié)構(gòu)可比非穿通結(jié)構(gòu)的芯片厚度降低30%,同時(shí)還保持了非穿通結(jié)構(gòu)的正溫度系數(shù)的特點(diǎn)。近年來出現(xiàn)的各種增強(qiáng)型技術(shù)及超薄片技術(shù)都是基于軟穿通的體結(jié)構(gòu)的,目前600V電壓等級(jí)軟穿通IGBT芯片的厚度可以到達(dá)70um。IGBT的集電極區(qū)結(jié)構(gòu)影響著PNP晶體管的增益,對(duì)正向壓降與關(guān)斷損耗都有重要的影響[8]。早期的穿通型IGBT其集電極區(qū)結(jié)深較大,空穴注入效率很大,容易發(fā)生閂鎖效應(yīng),必須采用局部壽命控制技術(shù)來控制背部空穴注入效率,但是卻因此面導(dǎo)致了導(dǎo)通壓降的負(fù)溫度系數(shù),不利于并聯(lián)應(yīng)用。后來出現(xiàn)的非穿通型IGBT,采用了透明集電極結(jié)構(gòu)[9],控制了空穴注入,免除了局部壽命控制,實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)通壓降的正溫度系數(shù),這一結(jié)構(gòu)技術(shù)一直沿用至今,并通過優(yōu)化改良以提高關(guān)斷速度及短路平安工作區(qū)特性[10-11]。針對(duì)目前1200V電壓等級(jí)以下的芯片由于片薄而存在的加工工藝?yán)щy的問題,又提出了一種“內(nèi)透明集電極〞結(jié)構(gòu),采用氦離子注入與外延相結(jié)合的方法,防止了超薄片加工技術(shù)來形成透明集電極[12-13]。集電極區(qū)結(jié)構(gòu)還對(duì)平安工作區(qū)特別是短路平安工作區(qū)特性有重要影響[14-15],針對(duì)短路平安工作區(qū)特性有特殊要求的應(yīng)用,通過集電極區(qū)摻雜濃度和緩沖層注入效率的控制與優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)與關(guān)斷損耗的折中。IGBT的正面MOS結(jié)構(gòu)包括柵極與發(fā)射極區(qū)。柵極結(jié)構(gòu)有平面柵(圖4(a))與溝槽柵(圖4(b))兩種。平面柵結(jié)構(gòu)具有較好的柵氧化層質(zhì)量,其柵電容較小,并且不會(huì)在柵極下方處造成電場(chǎng)集中而影響耐壓,在高壓IGBT(3300V及以上電壓等級(jí))中被普遍采用。平面柵結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化改良,可以進(jìn)一步降低柵電容同時(shí)改良其他的工作特性,如降低柵存儲(chǔ)時(shí)間,降低開關(guān)損耗,還能減小短路平安工作區(qū)(SCSOA)測(cè)試中的柵電壓過沖[16]。而溝槽柵結(jié)構(gòu)將溝道從橫向變?yōu)榭v向,消除了導(dǎo)通電阻中RJFET的影響,還可以提高元胞密度,從而有利于降低功耗[17],因此被廣泛應(yīng)用于中低壓(1700V及以下電壓等級(jí))產(chǎn)品中,但是溝槽刻蝕后外表粗糙,會(huì)影響載流子遷移率及造成電場(chǎng)集中,影響擊穿電壓,而且多晶硅柵面積增加,使柵電容增大,此外,由于電流密度增大導(dǎo)致其短路能力降低。為了減小柵電容并降低短路電流,需要對(duì)元胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),如圖5所示。三菱公司那么提出了一種“元胞合并式〞IGBT結(jié)構(gòu)(plugged/dummycells)[18-19](圖6)以降低飽和電流,提高短路能力,并抑制短路測(cè)試過程中的柵電壓振蕩現(xiàn)象。為了滿足不同的封裝需要,IGBT的柵極電極可以位于芯片中心、邊上中央及邊角處,對(duì)于焊接式封裝,這三種位置都可滿足要求,對(duì)于壓接式封裝,一般選擇將柵電極設(shè)置在邊角處。目前先進(jìn)的增強(qiáng)型技術(shù)就是通過優(yōu)化正面MOS結(jié)構(gòu),提高靠近發(fā)射極區(qū)一端的電子注入效率,從而優(yōu)化導(dǎo)通壓降與關(guān)斷損耗的折中關(guān)系(圖7)。普遍采用的是載流子存儲(chǔ)層(CarrierStoredLayer,CSL)/空穴阻擋層結(jié)構(gòu)(HoleBarrierLayer,HBL),如圖8所示[20-21]。從圖中可以看出,該結(jié)構(gòu)通過在P-阱外圍設(shè)置一個(gè)N型摻雜區(qū),將P-阱包圍起來。該摻雜區(qū)縮短了溝道長(zhǎng)度,并增加了空穴載流子流向IGBT發(fā)射極的勢(shì)壘,這樣就在P-阱外圍形成了一個(gè)空穴的積累層,并增加了在導(dǎo)通狀態(tài)下電子從MOS溝道的注入效率,從而增強(qiáng)了該處的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),可以大大地減小器件的導(dǎo)通損耗。在工藝實(shí)現(xiàn)上,可以采用自對(duì)準(zhǔn)工藝,不增加光刻次數(shù)。但是,研究發(fā)現(xiàn),P-阱下方的N摻雜區(qū)對(duì)芯片的耐壓性能不利[22]。為了獲得更好的導(dǎo)通壓降與阻斷電壓的折中,研究開發(fā)了P阱旁N型摻雜技術(shù),即在P-阱兩邊形成一對(duì)對(duì)稱的N摻雜區(qū)域,如圖9所示[23]。與載流子存儲(chǔ)層/空穴阻擋層結(jié)構(gòu)技術(shù)相比,差異在于摻雜區(qū)沒有包圍P-阱的底部及其拐角處,因此,在有效降低芯片導(dǎo)通壓降的同時(shí)還最大程度地維持了芯片的耐壓能力。其他一些增強(qiáng)型措施包括通過優(yōu)化溝槽元胞結(jié)構(gòu)[24-25]或者利用特殊溝槽結(jié)構(gòu)[26]來降低基區(qū)空穴被抽取的效率,到達(dá)電子注入增強(qiáng)的目的,在維持較低關(guān)斷損耗的同時(shí)降低導(dǎo)通損耗。2.2IGBT模塊技術(shù)IGBT模塊按封裝工藝可分為焊接式與壓接式兩類[27]。常見的焊接式IGBT封裝結(jié)構(gòu)如圖10所示,主要包括母排電極、鍵合引線、芯片、焊層、襯板和基板幾大局部,各個(gè)局部之間的連接技術(shù)那么構(gòu)成了IGBT模塊封裝的關(guān)鍵技術(shù),可分為芯片焊接與固定以及各芯片電極互連與引出兩大方面。為了提高模塊的可靠性,要求各局部材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)相匹配,散熱特性好及連接界面盡量少且連接牢固。對(duì)于芯片焊接與固定,主要涉及功率半導(dǎo)體芯片(IGBT/FRD)、焊層、襯板和基板。焊層普遍采用錫基焊料,分含鉛與無鉛兩大類,有焊膏和焊片兩種工藝,后者具有更好的焊層質(zhì)量。隨著無焊料焊接(SolderFree)工藝的開展,對(duì)焊層采用銀燒結(jié)工藝[28],或者采用瞬時(shí)液相鍵合或瞬時(shí)液相焊接技術(shù)(TransientLiquidPhase,TLP)[29],在焊層中形成Cu與Sn的化合物,提高焊層的熔點(diǎn),可以大大提高其長(zhǎng)期可靠性。襯板和基板要求其膨脹系數(shù)與芯片匹配并具有良好的熱導(dǎo)率,對(duì)硅材料芯片而言,AlN襯板及Cu或AlSiC基板是常見的選擇,為了獲得較小的熱阻,提高散熱性能,一般盡量減小襯板的厚度[30-31],并使基板具有一定的拱度,可以是單面拱或者雙面拱,單面拱基板有利于減小熱阻,且在焊接前后拱度的變化較均勻[32]。為了進(jìn)一步減小熱阻,可以省去襯板或基板,將芯片直接設(shè)置在引線框架(leadframe)上[33],或者將襯板直接設(shè)置在散熱基板上,基板多為PinFin結(jié)構(gòu),采用水冷散熱[34]。對(duì)于芯片電極互連及引出,常采用粗鋁線或鋁帶進(jìn)行引線鍵合,并利用銅金屬母排將電極引出到模塊外部。一個(gè)模塊內(nèi)部通常具有數(shù)百根引線,數(shù)千個(gè)鍵合點(diǎn),這些鍵合點(diǎn)是可靠性的薄弱環(huán)節(jié)[35]。為了提高鍵合點(diǎn)可靠性,英飛凌開發(fā)了銅引線鍵合技術(shù)[36],但這首先需要對(duì)芯片外表進(jìn)行銅金屬化,而銅工藝與常規(guī)的鋁工藝不兼容。為了不改變現(xiàn)有的鋁金屬化工藝,人們又開發(fā)了一種鋁包銅線鍵合技術(shù)[37],能夠在鋁金屬化面上進(jìn)行銅引線鍵合。更先進(jìn)的互連技術(shù)是免引線鍵合技術(shù)(wirebondless),即將互連電路設(shè)置在柔性PCB板上,再將PCB與芯片正面各個(gè)電極進(jìn)行銀燒結(jié)實(shí)現(xiàn)連接[38]。模塊的電極引出通過銅金屬母排來實(shí)現(xiàn),最常見的是將銅金屬母排通過釬料焊接到襯板或基板上,在焊接過程中需要用到輔助夾具對(duì)母排進(jìn)行定位和固定,而采用超聲焊接技術(shù)那么可以簡(jiǎn)化工藝,并提高焊接質(zhì)量[39]。與此同時(shí),母排的結(jié)構(gòu)與位置排列也在不斷優(yōu)化,以降低模塊的寄生電感[40-41]。為了進(jìn)一步縮小模塊尺寸,可將所有母排都預(yù)先嵌入到塑料外殼內(nèi)(injection-molded)[42-43],這樣在模塊封裝過程中還可以省去母排焊接的工藝。IGBT模塊的另外一種封裝形式是壓接式封裝,如圖11-12所示。壓接式IGBT具有無焊層、免引線鍵合、雙面散熱和失效短路的特點(diǎn),從而具有更低的熱阻、更高的工作結(jié)溫、更低的寄生電感、更寬的平安工作區(qū)和更高的可靠性,主要在柔性直流輸電中串聯(lián)應(yīng)用,同時(shí)在應(yīng)用環(huán)境苛刻和可靠性要求高的應(yīng)用領(lǐng)域也很有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。其壓力接觸方式有兩種,一種是類似全壓接晶閘管式的直接壓力接觸,以Dynex(中國(guó)南車)及Westcode公司產(chǎn)品為代表[44-46],對(duì)芯片厚度及壓力均勻性要求高;另外一種是采用彈簧接觸,可以較好地兼容芯片之間的厚度誤差,產(chǎn)品以ABB及Semikron公司產(chǎn)品為代表[47-48]。3IGBT開展趨勢(shì)3.1IGBT芯片技術(shù)開展IGBT作為電力電子領(lǐng)域非常理想的開關(guān)器件,各種新結(jié)構(gòu)、新工藝及新材料技術(shù)還在不斷涌現(xiàn),推動(dòng)著IGBT芯片技術(shù)的開展,其功耗不斷降低,工作結(jié)溫不斷升高,從125℃提升到了175℃并向200℃邁進(jìn)[49],并可以在芯片上集成體二極管,形成逆導(dǎo)IGBT(RC-IGBT/BIGT)(圖13),無需再反并聯(lián)續(xù)流二極管,在相同的封裝尺寸下,可將模塊電流提高30%[50-51],還可以將電流及溫度傳感器集成到芯片內(nèi)部,實(shí)現(xiàn)芯片智能化,如圖14所示[52]。圖13RC-IGBT圖14IGBT芯片內(nèi)部集成傳感器通過對(duì)IGBT芯片的邊緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔離處理,可以形成具有雙向阻斷能力的IGBT(RB-IGBT)(圖15),在雙向開關(guān)應(yīng)用中無需再串聯(lián)二極管,并具有更小的漏電流及更低的損耗[53-54]。超結(jié)技術(shù)(superjunction)打破了傳統(tǒng)硅器件的導(dǎo)通壓降與耐壓的極限關(guān)系(Ron∝VB2.5),可大大降低器件功耗,已成功應(yīng)用在MOSFET上。將該技術(shù)應(yīng)用在IGBT上,那么可以進(jìn)一步降低功耗,目前已受到廣泛的關(guān)注[55-57]。超結(jié)IGBT的主要難點(diǎn)是工藝實(shí)現(xiàn),為了降低工藝難度,各種“半超結(jié)〞結(jié)構(gòu)被提出,實(shí)現(xiàn)性能與工藝的折中[58-59]。與此同時(shí),IGBT的工藝水平也在不斷提升,許多先進(jìn)工藝技術(shù),如離子注入、精細(xì)光刻等被應(yīng)用到IGBT制造上。IGBT芯片制造過程中的最小特征尺寸已由5um,到3um,到1um,甚至到達(dá)亞微米的水平。采用精細(xì)制造工藝可以大幅提高功率密度,同時(shí)可以降低結(jié)深,減小高溫?cái)U(kuò)散工藝,從而使采用12英寸甚至更大尺寸的硅片來制造IGBT成為可能。隨著薄片與超薄片加工工藝的開展,英飛凌在8英寸硅片上制造了厚度只有40um的芯片樣品,不久的未來有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化應(yīng)用。此外,新材料如寬禁帶半導(dǎo)體材料技術(shù)的開展,可以實(shí)現(xiàn)更低功耗、更大功率容量、更高工作溫度的器件,其中SiC成為目前的大功率半導(dǎo)體的主要研究方向,并在單極器件上實(shí)現(xiàn)商品化,在IGBT等雙極器件的研究上也不斷取得進(jìn)展[60-62]。目前IGBT主要受制造工藝及襯底材料的缺陷限制,例如溝道遷移率及可靠性、電流增益較小及高摻雜P型襯底生長(zhǎng)等問題,未來隨著材料外延技術(shù)的開展,SiCIGBT將會(huì)實(shí)現(xiàn)突破。3.2IGBT模塊技術(shù)開展隨著IGBT芯片技術(shù)的不斷開展,芯片的最高工作結(jié)溫與功率密度不斷提高,IGBT模塊技術(shù)也要與之相適應(yīng)。未來IGBT模塊技術(shù)還將圍繞芯片反面焊接固定與正面電極互連兩方面不斷改良,有望將無焊接、無引線鍵合及無襯板/基板等先進(jìn)封裝理念及技術(shù)結(jié)合起來,將芯片的上下外表均通過燒結(jié)或壓接來實(shí)現(xiàn)固定及電極互連,同時(shí)在模塊內(nèi)部集成更多其他功能元件,如溫度傳感器、電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路等,不斷提高IGBT模塊的功率密度、集成度及智能度[63]。4小結(jié)本文從IGBT體結(jié)構(gòu)、反面集電極區(qū)結(jié)構(gòu)與正面MOS結(jié)構(gòu)三方面分析了IGBT芯片的技術(shù)現(xiàn)狀,目前IGBT芯片普遍采用平面柵或者溝槽柵結(jié)構(gòu),并運(yùn)用軟穿通體結(jié)構(gòu)與透明集電極區(qū)結(jié)構(gòu)技術(shù),以及各種增強(qiáng)型技術(shù),以提高綜合性能和長(zhǎng)期可靠性。高壓IGBT模塊技術(shù)還是以標(biāo)準(zhǔn)的焊接式封裝為主,中低壓IGBT模塊產(chǎn)品那么出現(xiàn)了很多新技術(shù),如燒結(jié)取代焊接,壓力接觸取代引線鍵合,無襯板/基板封裝等。未來IGBT將繼續(xù)朝著集成化、智能化、小型化的方向開展。參考文獻(xiàn)[1]周志敏,周紀(jì)海,紀(jì)愛華,IGBT和IPM及其應(yīng)用電路,北京:人民郵電出版社,2006.3[2]劉國(guó)友,羅海輝,劉可安等。牽引用3300VIGBT芯片均勻性及其對(duì)可靠性的影響[J]。機(jī)車電傳動(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