IC那些事：IGBT的適用領(lǐng)域及失效因素

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）誕生于1980年前后，其發(fā)明要遠(yuǎn)遠(yuǎn)晚于BJT三極管與MOSFET。如此一來，這一新生器件自然也是結(jié)合了“前輩”們的優(yōu)點。從等效電路圖上來看，IGBT本質(zhì)上是一個MOSFET加一個BJT復(fù)合而成，并且也具備MOSFET的高輸入阻抗和BJT的低導(dǎo)通壓降兩大特點。

IGBT也具有柵極（G）、源極（C）和發(fā)射極（E）的三端結(jié)構(gòu)。按照晶體管P溝道與N溝道的劃分，IGBT也具有兩種形態(tài)。但出于性能差異，N溝道的實際應(yīng)用要遠(yuǎn)大于P溝道。

N溝道IGBT的導(dǎo)通電阻通常低于P溝道IGBT，這意味著在相同的電流和電壓條件下，N溝道IGBT能夠更有效地降低功率損耗，提高能源利用效率。除此以外，N溝道IGBT的開關(guān)速度相對較快，能夠更好地滿足高速開關(guān)應(yīng)用的需求。

上圖電路符號所標(biāo)示的也是N溝道IGBT。而帶阻尼二極管IGBT相比基礎(chǔ)型器件，在內(nèi)部額外加入了一個或多個阻尼二極管（通常是快速恢復(fù)二極管或肖特基二極管），以優(yōu)化電路中的電壓和電流波形，減少開關(guān)過程中的電壓尖峰和電流沖擊。對于需要高頻開關(guān)、大功率輸出還要確保波形質(zhì)量良好的應(yīng)用，帶阻尼二極管的IGBT能夠起到更好的作用。

與MOSFET等器件的對比

IGBT是結(jié)合了MOSFET和BJT優(yōu)點的器件，那么在實際應(yīng)用中，是否能夠完全替代掉前兩者，特別是MOSFET呢？答案并非肯定。BJT現(xiàn)如今只用在一些極度成本敏感的應(yīng)用中，而MOSFET憑借其自身特點，仍屬于主流應(yīng)用范疇。

從實際結(jié)構(gòu)上看，IGBT是一個四層半導(dǎo)體器件，體現(xiàn)為P型-N型-P型-N型的復(fù)雜層次，這使得IGBT能夠承受更高的電壓和電流，能夠用于MOSFET所不適應(yīng)的高壓、大電流驅(qū)動場合，例如新能源車、電力設(shè)施等。而MOSFET結(jié)構(gòu)更簡單，且以小電壓就能驅(qū)動，能夠達到更快的開關(guān)頻率，適用于電機驅(qū)動、LED照明等場合，在電路設(shè)計較為簡單的前提下，實現(xiàn)更復(fù)雜的控制功能。

IGBT與MOSFET等功率器件的不同適用范圍 來源：羅姆ROHM

從如上對比圖來看，IGBT與MOSFET的應(yīng)用范圍已經(jīng)標(biāo)識得很清楚。至于需要兼具高壓與高頻的應(yīng)用場合，就需要用到SiC與GaN器件來滿足需求。

封裝形式：單管與模組

與其他各種半導(dǎo)體一樣，IGBT的制造也是分成晶圓、蝕刻、切割成單片和封裝等步驟。但IGBT封裝有所不同，不僅有單管形式的封裝，也有將多個單管集成在一起的模塊封裝。

單管與模塊封裝IGBT示意 來源：互聯(lián)網(wǎng)

單管封裝主要由一個IGBT晶體管、一個恢復(fù)二極管和一個可選的溫度傳感器組成，常見類型有TO247、TO3P等。單管封裝尺寸較小，電流能力通常在100A以下，只適用于低壓、小功率的電力控制應(yīng)用，如家電、小型電機控制等。

模塊封裝遠(yuǎn)比單管封裝復(fù)雜，是將多個IGBT晶體管集成封裝在一起，形成功率更大、散熱能力更強的模塊，常見的有2in1、4in1、6in1等形式。除了IGBT晶體管本身外，模塊內(nèi)還封裝有反向恢復(fù)二極管、溫度傳感器、漏電感、濾波電容器、放大器、控制電路等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。封裝的整體結(jié)構(gòu)分為芯片、芯片焊料層、上銅層、陶瓷層、下銅層、基底焊料層、基板等組成，以實現(xiàn)高效的電氣連接并確保散熱。模塊封裝IGBT用于新能源車、高鐵、光伏等大功率領(lǐng)域，以及工業(yè)控制、軌道交通等穩(wěn)定性需求較高的領(lǐng)域。

從模塊封裝看失效類型

模塊封裝IGBT的失效情況，分為芯片和封裝兩個層面。芯片級失效有輻射損傷、電子遷移、電過應(yīng)力、靜電放電（ESD）等類型，這些失效類型與IGBT自身處于不良的工作狀態(tài)直接相關(guān)。除此以外，模組結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的失效，也要加以重視。

IGBT模組結(jié)構(gòu)示意 來源：互聯(lián)網(wǎng)

封裝級失效主要分為焊料層失效與鍵合線失效兩種，焊料層失效的表現(xiàn)是焊料層出現(xiàn)裂紋、空洞或分層，這類失效主要是由于IGBT模組工作時產(chǎn)生的熱量不斷積累產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致焊料層經(jīng)歷溫度循環(huán)。鍵合層失效的表現(xiàn)是鍵合線斷裂、剝離或與芯片間的連接失效，是由于鍵合線與模塊芯片的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度變換的熱應(yīng)力之下，鍵合線會發(fā)生剝離或斷裂，此外長時間的高電流通過也會加劇鍵合線的老化和失效。

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