在節(jié)能環(huán)保趨勢(shì)的推動(dòng)下，絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）近幾年已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)的耀眼明星，廣泛應(yīng)用于軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車(chē)與新能源裝備等領(lǐng)域。
在新能源汽車(chē)的控制系統(tǒng)中，IGBT約占整車(chē)成本的7-10%，是電池之外成本第二高的元器件，也是決定整車(chē)能源效率的關(guān)鍵組件，主要用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、發(fā)電機(jī)、空調(diào)部分。在直流充電樁中，IGBT占原材料成本的30%；而電力機(jī)車(chē)一般需要500個(gè)IGBT模塊，動(dòng)車(chē)組需要超過(guò)100個(gè)IGBT模塊，一節(jié)地鐵需要50-80個(gè)IGBT模塊。
IGBT晶體管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
從結(jié)構(gòu)看，IGBT的輸入端為MOSFET結(jié)構(gòu)，輸出部分為BIPOLAR結(jié)構(gòu)，屬于MOSFET和BIPOLAR的復(fù)合體，既是使用電子與空穴兩種載體的雙極元件，同時(shí)也是兼顧低飽和電壓（與功率MOSFET的低導(dǎo)通電阻相當(dāng)）和較快的開(kāi)關(guān)特性的晶體管。只不過(guò)，BIPOLAR適用于中速開(kāi)關(guān)，MOSFET則適用于高頻領(lǐng)域，IGBT開(kāi)關(guān)特性遜于功率MOSFET。
功率元器件的基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)
作為一種功率半導(dǎo)體元器件，IGBT在電路中的功能相當(dāng)于一個(gè)用電壓控制的電子開(kāi)關(guān)，表現(xiàn)出高耐壓、小飽壓降，以及節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)，用在電壓幾十到幾百伏量級(jí)、電流幾十到幾百安量級(jí)的強(qiáng)電場(chǎng)合。
使用時(shí)，一般通過(guò)脈沖寬度調(diào)制（PWM）的方式控制IGBT開(kāi)關(guān)，將電流從DC轉(zhuǎn)換到AC（電池到電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)）或者從AC轉(zhuǎn)化到DC（電機(jī)到電池，剎車(chē)、下坡時(shí)能量回收），給負(fù)載使用。因此，IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，俗稱電力電子裝置的CPU。
IGBT應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
IGBT最常見(jiàn)的形式其實(shí)是模塊（Module），而不是單管。其中，空心塑殼封裝，與空氣的隔絕材料是高壓硅脂或者硅脂，以及其他可能的軟性絕緣材料。IGBT器件采用同一個(gè)制造商、同一技術(shù)系列的產(chǎn)品，IGBT模塊的技術(shù)特性與同等規(guī)格的IGBT單管基本相同。
功率半導(dǎo)體的應(yīng)用范圍
IGBT模塊的主要優(yōu)勢(shì)有以下幾個(gè)：
（1）多個(gè)IGBT芯片并聯(lián)，IGBT的電流規(guī)格更大。
（2）多個(gè)IGBT芯片按照特定的電路形式組合，如半橋、全橋等，可以減少外部電路連接的復(fù)雜性。
（3）多個(gè)IGBT芯片處于同一個(gè)金屬基板上，等于是在獨(dú)立的散熱器與IGBT芯片之間增加了一塊均熱板，工作更可靠。
（4）一個(gè)模塊內(nèi)的多個(gè)IGBT芯片經(jīng)過(guò)了模塊制造商的篩選，其參數(shù)一致性比市售分立元件要好。
（5）模塊中多個(gè)IGBT芯片之間的連接與多個(gè)分立形式的單管進(jìn)行外部連接相比，電路布局更好，引線電感更小。
（6）模塊的外部引線端子更適合高壓和大電流連接。同一制造商的同系列產(chǎn)品，模塊的最高電壓等級(jí)一般會(huì)比IGBT單管高1-2個(gè)等級(jí)，如果單管產(chǎn)品的最高電壓規(guī)格為1700V，則模塊有2500V、3300V乃至更高電壓規(guī)格的產(chǎn)品。
IGBT技術(shù)關(guān)鍵
IGBT目前已經(jīng)發(fā)展到7.5代，第7代由三菱電機(jī)在2012年推出，三菱電機(jī)目前的水平可以看作7.5代，同時(shí)IGBT的下一代SiC技術(shù)已經(jīng)在日本全面普及，無(wú)論三菱這樣的大廠還是Fuji、Rohm這樣的小廠都有能力輕松制造出SiC元件，我國(guó)目前停留在第三代水平上，差距在20年以上。
IGBT技術(shù)關(guān)鍵發(fā)展節(jié)點(diǎn)
IGBT的關(guān)鍵有兩點(diǎn)，一是散熱，二是背板工藝。
IGBT的正面工藝和標(biāo)準(zhǔn)BCD的LDMOS沒(méi)區(qū)別，區(qū)別在背面，背面工藝有幾點(diǎn)，首先是減薄，大約需要減薄6-8毫米，減得太多容易碎片，減得太少?zèng)]有效果。接下來(lái)是離子注入，注入一層薄磷做緩沖層，第四代需要兩次注入磷，本來(lái)硅片就很薄了，兩次注入很容易碎片。然后是清洗，接下來(lái)金屬化，在背面蒸鍍一層鈦或銀，最后是Alloy，因?yàn)楣杵?，很容易翹曲或碎片。英飛凌特別擅長(zhǎng)減薄技術(shù)。
自第六代以后，IGBT自身的潛力已經(jīng)挖掘的差不多了，大家都把精力轉(zhuǎn)移到IGBT的封裝上，也就是散熱。這主要有四點(diǎn)：
第一，就是提高IGBT模塊內(nèi)部的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能、耐受功率循環(huán)的能力，IGBT模塊內(nèi)部引線技術(shù)經(jīng)歷了粗鋁線鍵合、鋁帶鍵合再到銅線鍵合的過(guò)程，提高了載流密度。
第二，新的焊接工藝，傳統(tǒng)焊料為錫鉛合金，成本低廉、工藝簡(jiǎn)單，但存在環(huán)境污染問(wèn)題，且車(chē)用功率模塊的芯片溫度已經(jīng)接近錫鉛焊料熔點(diǎn)（220℃）。解決該問(wèn)題的新技術(shù)主要有：低溫銀燒結(jié)技術(shù)和瞬態(tài)液相擴(kuò)散焊接。與傳統(tǒng)工藝相比，銀燒結(jié)技術(shù)的導(dǎo)熱性、耐熱性更好，具有更高的可靠性。
瞬態(tài)液相擴(kuò)散焊接通過(guò)特殊工藝形成金屬合金層， 熔點(diǎn)比傳統(tǒng)焊料高，機(jī)械性能更好。三菱則使用超聲波焊接。
第三，改進(jìn)DBC和模塊底板，降低散熱熱阻，提高熱可靠性，減小體積，降低成本等。以AlN和AlSiC等材料取代DBC中的Al2O3和Si3N4等常規(guī)陶瓷，熱導(dǎo)率更高，與Si材料的熱膨脹系數(shù)匹配更好。此外，新型的散熱結(jié)構(gòu)，如Pin Fin結(jié)構(gòu)和Shower Power結(jié)構(gòu)， 能夠顯著降低模塊的整體熱阻，提高散熱效率。
第四，就是擴(kuò)大模塊與散熱底板間的連接面積，如端子壓接技術(shù)。
IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域
在新一代IGBT產(chǎn)品中，SiC（碳化硅）技術(shù)已經(jīng)嶄露頭角，這是提高新能源汽車(chē)效率最有效的技術(shù)，效率提高可達(dá)10%，其功效“與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)同等重要。”雖然價(jià)格是傳統(tǒng)Si產(chǎn)品的6倍，SiC型IGBT在新能源汽車(chē)和智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)中的作用卻越來(lái)越重要。預(yù)計(jì)在新能源汽車(chē)領(lǐng)域示范應(yīng)用后，SiC型IGBT將很快推廣到其他工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用中。
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