來源：洞察3C前沿

IGBT

當前的新能源車的模塊系統由很多部分組成，如電池、VCU、BSM、電機等，但是這些都是發展比較成熟的產品，國內外的模塊廠商已經開發了很多，但是有一個模塊需要引起行業內的重視，那就是電機驅動部分，則是電機驅動部分最核心的元件IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極型晶體管芯片）。

大家好！今天我要和大家分享的是關于IGBT（絕緣柵雙極性晶體管）芯片的革命性崛起。這項創新的科技巨擘在現代電力電子領域掀起了一場震撼世界的變革。想象一下，在過去的幾十年中，我們生活的每個角落都離不開能源的驅動。然而，傳統的功率晶體管卻受限于一些方面不足。幸運的是，IGBT芯片的出現徹底改變了這一局面。

IGBT和MOS管都是一種用于電力控制的半導體器件。它們的作用是在電路中調整或控制電流的流動。

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是一種具有低壓控制和高電流能力的開關設備。它結合了場效應晶體管（MOSFET）和雙極型晶體管（BJT）的優點，具有低開通電阻和高開通速度，能夠承受較高的電流和電壓。IGBT主要用于交流電力電子設備中，如變頻器、電機驅動器、逆變器等。

MOS管（金屬-氧化物-半導體場效應晶體管）是一種基于MOS結構的晶體管。它具有高輸入電阻、低功耗和快速開關速度等特點，可以用作開關、放大器、放大器驅動器等。MOS管可以分為兩類：增強型MOSFET（nMOS）和耗盡型MOSFET（pMOS）。增強型MOSFET需要一個正電壓作為控制信號以切換其導通狀態，而耗盡型MOSFET需要一個負電壓作為控制信號。

總的來說，IGBT主要用于高功率電力應用，而MOS管則適用于低功率應用。IGBT具有較高的電流和電壓能力，可以承受較大的負載，但開關速度相對較慢。相比之下，MOS管具有較低的功耗和更快的開關速度，但電流和電壓能力相對較弱。在電路設計中，對于不同的應用需求和電路規模，可以選擇使用不同類型的器件。

“憑啥說我不行！！！“隨著傳統的功率晶體管（包括MOSFET和BJT）的破門而入，小編打字都開始靜悄悄，我小聲悄悄跟你們說。

雖然它們在很多電子設備中都有廣泛的應用，但在一些特定的應用場景中，它們存在一些不足之處：

1、傳統功率晶體管的效率問題。在高壓、高電流的情況下，傳統的功率晶體管在導通狀態下會有較高的導通電阻，導致能源被轉化為熱量損失。這意味著功率晶體管在工作時會消耗大量的功率，并且需要額外的散熱措施來解決發熱問題。

2、傳統功率晶體管的速度問題。功率晶體管在開關過程中存在一定的開啟延遲時間和關閉延遲時間，限制了其在高頻率開關應用中的性能。

幸運的是，IGBT芯片的出現徹底改變了這些局限。IGBT芯片結合了MOSFET和BJT的優點，有效克服了功率晶體管的不足之處：

1、IGBT芯片具有低導通電阻和高電流承載能力的優點，可以在高壓、高電流的環境中實現較低的功率損耗。這使得它們在功率轉換和電力傳輸等應用中更加高效。

2、IGBT芯片在開關速度方面表現較為出色。相對于傳統的BJT晶體管，IGBT芯片具有更快的開啟速度和關閉速度，這使得它們能夠在高頻率開關電路中表現出更好的性能。

綜上所述，傳統的功率晶體管在效率和速度方面存在一些限制，而IGBT芯片通過結合MOSFET和BJT的優點，解決了這些問題。因此，IGBT芯片被廣泛應用于需要高效、高速開關能力的領域，例如電力傳輸、工業控制和新能源領域。

結構特點：

PT-IGBT采用 P 型直拉單晶硅作為襯底，在此之上依次生長N+ buffer，N-base外延，最后在外延層表面形成元胞結構。P 型襯底作為器件的集電區濃度高且難以減薄，為了減小陽極側空穴載流子的注入效率，通常會在漂移區和襯底之間外延生長一層 N+緩沖層，用來阻擋部分空穴注入。在阻斷狀態下，緩沖層又起到截止漂移區電場的作用，由于電場穿透漂移區，故稱此結構為穿通型 IGBT。

性能優勢：

1、低導通壓降：

平面柵穿通型IGBT相比傳統功率晶體管具有較低的導通壓降，即在導通狀態下的電壓降低；這是由于電導調制的存在，導通時，當P+區注入到N區的少子濃度很大（大注入）、接近摻雜濃度，則額外積累起來的多子濃度也就與摻雜濃度相當了，這時，N區的電導率實際上就決定于基區摻雜濃度和額外增加的多子濃度的總和，從而N區的有效電導率大大增加了，即降低了N區的電阻率。

2、高電壓承受能力：

平面柵穿通型IGBT可以根據應用環境設計出不同N區的厚度來達到所要求的耐壓上限，可以較高的電壓承受能力，適用于高壓應用。

3、簡化驅動電路：

相對于傳統功率晶體管，平面柵穿通型IGBT的驅動電路更為簡化。它通常只需要一個正向電壓脈沖來開啟，而無需連續施加電壓，減少了驅動電路的復雜性和成本。

存在問題：

1、開關損耗較大：

相對于傳統功率晶體管，平面柵穿通型IGBT的開關損耗較大；這是由于其較厚的P+區，導致關斷時空穴抽離的路徑較遠。

2、導通壓降相對較高：

盡管相對于傳統功率晶體管有所改進，但平面柵穿通型IGBT仍然存在較高的導通壓降，這取決于正面結構電流路徑的復雜性及其較厚的P+區。

3、溫度依賴性：

平面柵穿通型IGBT的性能受溫度影響較大。其導通特性和開關速度由于復雜的摻雜濃度層次的交替，高溫下不同層次的表現不同，致使其受溫度影響大，且期間整體的漏電流較高。

4、高電流飽和現象：

在較高電流密度時，平面柵穿通型IGBT可能會出現飽和現象，即電流不再線性響應于控制電壓的變化，這是由于平面柵結構的退飽和效應，柵極施加一個大于閾值的正壓VGE，則柵極氧化層下方會出現強反型層，形成導電溝道。這時如果給集電極C施加正壓VCE，則發射極中的電子便會在電場的作用下源源不斷地從發射極E流向集電極C，而集電極中的空穴則會從集電極C流向發射極E，這樣電流便形成了。這時電流隨CE電壓的增長而線性增長，器件工作在飽和區。當CE電壓進一步增大，IGBT溝道末的電勢隨著VCE而增長，使得柵極和硅表面的電壓差很小，進而不能維持硅表面的強反型，這時溝道出現夾斷現象，電流不再隨CE電壓的增加而成比例增長，即IGBT退出飽和區。

N 型襯底IGBT——平面柵非穿通型（NPT）IGBT：

IGBT模塊究竟如何工作？

在電控模塊中，IGBT模塊是逆變器的最核心部件，總結其工作原理：

通過非通即斷的半導體特性，不考慮過渡過程和寄生效應，我們將單個IGBT芯片看做一個理想的開關。我們在模塊內部搭建起若干個IGBT芯片單元的并串聯結構，當直流電通過模塊時，通過不同開關組合的快速開斷，來改變電流的流出方向和頻率，從而輸出得到我們想要的交流電。

IGBT模塊結構和汽車IGBT模塊應用

上面提到了IGBT模塊在電驅系統中的作用，下面我們展開來具體看看IGBT模塊的結構。

4、IGBT模塊實物長啥樣？

IGBT模塊的標準封裝形式是一個扁平的類長方體，下圖為HP1模塊的正上方視角，最外面白色的都是塑料外殼，底部是導熱散熱的金屬底板（一般是銅材料）。可以看到模塊外面還有非常多的端子和引腳，各自有自己的作用：

1是DC正，2是DC負；3，4，5是三相交流電的U、V、W接口；6，25，22是集電極的信號端子，7，9，11，13，15，17是門極信號端子；8，10，12，14，16，18是發射極信號端子；19是DC負極信號端子；23，24是NTC熱敏電阻端子。

圖：HP1模塊等效電路圖

5、IGBT的基礎拓撲結構是怎樣的？

圖：IGBT模塊基礎電路拓撲結構

圖片來源，翠展微

如上圖所示，在IGBT模塊/單管中，一般統稱一單元是IGBT單管，二單元是單個橋臂（半橋），四單元是H橋（單相橋），六單元是三相橋（全橋），七單元一般是六單元+一個制動單元，八單元一般是六單元+制動單元+預充電單元。

一個單元由1對、2對或3對FRD+IGBT組成。其中1對，可以是1個FRD+1個IGBT，也可以是1個FRD+2個IGBT等。

具體實物可參照下圖，這是一個6單元的IGBT模塊。

圖：英飛凌Primepack IGBT模塊

圖片來源，"耿博士電力電子技術"公眾號

IGBT模塊的生產流程？

圖：IGBT 標準封裝結構橫切面

圖片來源，翠展微

如上圖所示，可以看到IGBT模塊橫切面的界面，目前殼封工藝的模塊基本結構都相差不大。IGBT模塊封裝的流程大致如下：

貼片→真空回流焊接→超聲波清洗→X-ray缺陷檢測→引線鍵合→靜態測試→二次焊接→殼體灌膠與固化→端子成形→功能測試（動態測試、絕緣測試、反偏測試）

貼片，首先將IGBT wafer上的每一個die貼片到DBC上。DBC是覆銅陶瓷基板，中間是陶瓷，雙面覆銅，DBC類似PCB起到導電和電氣隔離等作用，常用的陶瓷絕緣材料為氧化鋁（Al2O3）和氮化鋁（AlN）；

真空焊接，貼片后通過真空焊接將die與DBC固定，一般焊料是錫片或錫膏；

X-ray空洞檢測，需要檢測在敢接過程中出現的氣泡情況，即空洞，空洞的存在將會嚴重影響器件的熱阻和散熱效率，以致出現過溫、燒壞、爆炸等問題。一般汽車IGBT模塊要求空洞率低于1%；

接下來是wire bonding工藝，用金屬線將die和DBC鍵合，使用最多的是鋁線，其他常用的包括銅線、銅帶、鋁帶；

中間會有一系列的外觀檢測、靜態測試，過程中有問題的模塊直接報廢；

重復以上工序將DBC焊接和鍵合到銅底板上，然后是灌膠、封殼、激光打碼等工序；

出廠前會做最后的功能測試，包括電氣性能的動態測試、絕緣測試、反偏測試等等。

審核編輯：湯梓紅