igbt背面制造技术(什么是RC-IGBT)

该内容转载自耿博士电力电子技术

今天聊一下逆导型IGBT（reverseconductingIGBT，RC-IGBT），很久以前就知道这个器件，但是感觉应用很少，所以也没太进一步去了解。最近没事看论文发现富士近几年已经把RC-IGBT作为重点器件在电动汽车领域进行了推广应用，所以个人感觉有必要花点时间来聊一下这个器件，没准在电动汽车领域RC-IGBT和SiCMOSFE模块一样，也代表着一个重要的发展方向......

什么是RC-IGBT

逆导型IGBT，逆向导通？有些小伙伴可能会问，IGBT本来不就是反向导通的吗？为什么还专门起这样一个名词。这里面大家可能存在一个误区，通常来讲IGBT只是一个泛称，因为大部分工业应用都是感性负载，都需要在IGBT芯片旁边反并联一个二极管芯片，因此一般都认为IGBT肯定是反向导通的。但是严格来讲IGBT就是IGBT，不像MOSFET内部有体二极管，而且IGBT属于非对称器件，非对称意味着正反向耐压是不一样的。这时你可能会问既然有非对称器件，那肯定有对称的。是的，还真有，ABRockwell公司的PowerFlex7000中压电流型逆变器采用的就是对称性门极环流晶闸管（SymmetricalGateCommutatedThyristor,SGCT），SGCT的正反向的阻断电压是一样的。Baliga的著作“Fundamentalsofpowerdevices”9.1节上也讲到了对称型IGBT，感兴趣的小伙伴可以去了解一下....

有点扯远了，回过头来继续聊我们的RC-IGBT，简单来讲RC-IGBT是将IGBT和Diode做在一个芯片里面了，如下图所示：

为了略显专业，老耿感觉还是有必要对着IGBT、DIODE和RC-IGBT的内部结构图说一说。有些小伙伴可能还不太会看此类图片，其实也不太复杂，简单来讲功率器件就是把不同掺杂浓度的P型半导体和N型半导体组合拼凑出来的。下图为英飞凌提供的RC-IGBT图片，老耿增加了一些注释，不同的颜色代表掺杂浓度不同，颜色越深，掺杂浓度越高，字母后面+符号代表掺杂浓度高（重掺杂），-符号代表掺杂浓度低（轻掺杂）。

了解到这个程度，给不懂器件的人吹吹牛应该还是可以的。回头来让我们先看一下FWD结构，它由P+、N-、N+3层半导体组成，这种结构的二极管也叫PiN二极管，i是英文单词Intrinsic的缩写，代表本征的意思，说明中间的N-半导体掺杂浓度很低，类似本征。关于PiN结构更详细的介绍可以参考老耿以前的文章。

什么是PiN二极管？

IGBT相比FWD就复杂多了，上图中沟槽栅场终止型IGBT结构图从上至下由N+、P+、N-、N+、P+5层不同掺杂浓度的半导体组成。如果把两者结合起来，在IGBT底部P+层预留一部分做成N+，就变成了RC-IGBT。下面再来欣赏一下富士提供的更为直观的三维结构图。

看到这里相信大家应该都明白RC-IGBT与普通IGBT的区别了，关于RC-IGBT更深入的工作原理，老耿就不做介绍了，下面我们再来看看RC-IGBT有哪些优势。。。

RC-IGBT优势

优势1：减小芯片尺寸降低成本

IGBT芯片或FWD芯片主要包含终端区和元胞区，当两个器件合并为一个芯片时终端部分可以实现共用，因此可以减小终端部分的面积。

通常情况下，传统模块中IGBT与FWD的面积比一般约为2:1，RC-IGBT可在保持传统IGBT芯片面积基本一致（略有增大）的条件下，通过在芯片内部集成FWD，从而省掉FWD部分的芯片面积，故可以节省总芯片面积约1/3[1]，同时芯片数量少了，还节省了焊接芯片和键合绑定线的成本，可大幅降低芯片生产制造成本及封装测试成本。类似下图，半桥IGBT模块需要4个芯片（2个IGBT+2个FWD），而如果采用RCIGBT芯片2个就够了。.

优势2：降低热阻

我们都知道对于普通的IGBT模块来讲，规格书上都会单独给出IGBT芯片和diode芯片至基板的热阻。而对于芯片来讲，面积越大热阻越小，越利于散热。前面已经提到RC-igbt虽然能够节省总的芯片面积，但是对于二极管的有效面积约扩大一倍，因此可有效降低二极管的热阻，并大幅提高其抗浪涌电流的能力（I2t耐量），而对于IGBT来说也能一定程度上降低热阻，下图为富士公开的一个报告上给出的参数，IGBT可以降低12%的热阻，Diode可以降低40%的热阻。

热阻越小，越利于器件撒热，如果系统只有IGBT芯片或diode芯片工作时的器件的结温肯定会有所降低。但是当IGBT和FWD都工作时，由于IGBT和FWD之间存在热干涉，总的温度比传统的模块可能会有所上升，毕竟两个器件的损耗在一个芯片上，当然这里也要看RC-IGBT芯片开关特性。

优势3：降低结温波动

从使用工况的角度看，RC-IGBT的改进了传统模块中IGBT芯片与FWD芯片间歇工作导致结温波动大的缺点，大幅提高器件的功率循环能力。我们都知道逆变器输出频率越低，IGBT结温波动也就更加剧烈，尤其是在堵转工况下这一现象更为严重。而RC-IGBT由于IGBT和二极管集成在一个芯片上，其交替工作时产生的热量形成一个合成的热源，散热途径一致，能够大幅降低芯片的结温波动，提升器件可靠性。

RC-IGBT问题

看到这里你可能会问既然RC-IGBT有这么多优势，那为什么还没有大规模应用？让我们再来看看RC-IGBT存在的一些问题。RC-IGBT最常见的问题是正向输出特性中的Snap-back(回跳)现象，如下图所示[2]。在RC-IGBT导通初期，电流密度很小，VCE较大，但当VCE增加到大于某值后，VCE会出现较大幅度下降，而电流密度继续增加的现象，在I-V曲线上表现为负阻特性。Snap-back现象不利于器件的并联使用，也会影响轻载条件下的功耗

但富士在内部期刊的一篇文章“第7代“X系列”产业用RC-IGBT模块”[4]已经明确说明针对这一问题进行了芯片结构优化，消除了回跳现象，如下图所示：

除了以上问题之外，RC-IGBT还有一些其它问题，例如参考文献[1]中提到的RC-IGBT关断及二极管反向恢复的动态波形优化、器件纵向漂移区载流子浓度分布优化、器件横向载流子密度及电场分布均匀性优化、器件的特殊背面加工工艺及器件三维仿真等问题。

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