IC那些事：IGBT的適用領域及失效因素

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

IGBT也具有柵極（G）、源極（C）和發(fā)射極（E）的三端結構。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溝道的實際應用要遠大于P溝道。

N溝道IGBT的導通電阻通常低于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的開關速度相對較快，能夠更好地滿足高速開關應用的需求。

上圖電路符號所標示的也是N溝道IGBT。而帶阻尼二極管IGBT相比基礎型器件，在內部額外加入了一個或多個阻尼二極管（通常是快速恢復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，減少開關過程中的電壓尖峰和電流沖擊。對于需要高頻開關、大功率輸出還要確保波形質量良好的應用，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是結合了MOSFET和BJT優(yōu)點的器件，那么在實際應用中，是否能夠完全替代掉前兩者，特別是MOSFET呢？答案并非肯定。BJT現如今只用在一些極度成本敏感的應用中，而MOSFET憑借其自身特點，仍屬于主流應用范疇。

從實際結構上看，IGBT是一個四層半導體器件，體現為P型-N型-P型-N型的復雜層次，這使得IGBT能夠承受更高的電壓和電流，能夠用于MOSFET所不適應的高壓、大電流驅動場合，例如新能源車、電力設施等。而MOSFET結構更簡單，且以小電壓就能驅動，能夠達到更快的開關頻率，適用于電機驅動、LED照明等場合，在電路設計較為簡單的前提下，實現更復雜的控制功能。

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的應用范圍已經標識得很清楚。至于需要兼具高壓與高頻的應用場合，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：互聯網

單管封裝主要由一個IGBT晶體管、一個恢復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用，如家電、小型電機控制等。

模塊封裝遠比單管封裝復雜，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，模塊內還封裝有反向恢復二極管、溫度傳感器、漏電感、濾波電容器、放大器、控制電路等復雜結構。封裝的整體結構分為芯片、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、光伏等大功率領域，以及工業(yè)控制、軌道交通等穩(wěn)定性需求較高的領域。

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。除此以外，模組結構所導致的失效，也要加以重視。

IGBT模組結構示意 來源：互聯網

封裝級失效主要分為焊料層失效與鍵合線失效兩種，焊料層失效的表現是焊料層出現裂紋、空洞或分層，這類失效主要是由于IGBT模組工作時產生的熱量不斷積累產生熱應力，導致焊料層經歷溫度循環(huán)。鍵合層失效的表現是鍵合線斷裂、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不同，在溫度變換的熱應力之下，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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