IGBT简单理解

IGBT就是一个开关，

一个可以允许通过大电流，

并且允许承受大电压的开关，

一个可以高频的打开和关断的开关，

一个可以被一个小电压方便的打开和关断的开关，

就是这么一个器件。

图：IGBT原理图 和 普通开关

IGBT就是一个开关，非通即断，

如何控制他的通还是断，就是靠的是栅源极的电压，

当栅源极加+12V时IGBT导通，

栅源极不加电压或者是加负压时，IGBT关断，加负压就是为了可靠关断。

类比于用手来打开和关断开关一样。

IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。

原理：

IGBT有三个端子，分别是G,C,E,在G和E两端加上电压后，内部的电子发生转移(半导体材料的特点，这也是为什么用半导体材料做电力电子开关的原因)，本来是正离子和负离子一一对应，半导体材料呈中性，但是加上电压后，电子在电压的作用下，累积到一边，形成了一层导电沟道，因为电子是可以导电的，变成了导体。如果撤掉加在G-E两端的电压，这层导电的沟道就消失了，就不可以导电了，变成了绝缘体。

半导体IGBT作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、工业节能、电动汽车与新能源装备等领域应用极为广泛，被誉为半导体皇冠上的明珠。

 IGBT模块简介

以IGBT模块型号：

FF1400R17IP4为例，模块外形及等效电路如图所示。模块的长宽高为：25cmx8.9cmx3.8cm，拆开看看里边的结构！

模块内部包含两个IGBT，也就是我们常说的半桥模块，每个IGBT的额定电压和电流都是1.7kV 1.4kA。8、9、10、11、12为功率端子，需要连接功率回路。1、2、3、4、5为IGBT的辅助控制端子，需要连接门极驱动回路。6和7为NTC热敏电阻，用来做温度检测或过温保护。

图：IGBT模块

IGBT模块内部结构

图 IGBT 内部结构

图为IGBT模块的剖面图，如果去掉黑色外壳以及对外的连接端子，IGBT模块内部主要包含3个部件，散热基板、DBC基板和硅芯片（包含IGBT芯片和Diode二极管芯片），其余的主要是焊料层和互连导线，用途是将IGBT芯片、Diode二极管芯片、功率端子、控制端子以及DBC连接起来，下面我们对每个部分作简单介绍：

图：IGBT模块结构剖切图

① 散热基板：

IGBT模块最下面的就是散热基板，主要目的是把IGBT开关过程产生的热量快速传递出去。由于铜的导热效果比较好，因此基板通常是用铜制成的，基板的厚度在3-8mm。当然也有其它材料的基板，例如：碳化硅铝（AlSiC），两者各有优劣。

② DBC基板：

DBC (Direct Bond Copper)，全称为直接覆铜基板，也有文献缩写为：DCB（Direct Copper Bond），两者是一个意思。DBC是一种陶瓷表面金属化技术，一共包含3层，中间为陶瓷绝缘层，上下为覆铜层，如图所示。简单来讲就是在一个绝缘材料的两面覆上一层铜皮，然后在正面刻蚀出能够走电流的图形，背面要直接焊接在散热基板上，因此就不需要刻蚀了。

图：DBC衬底（左）和PCB（右）对比

DBC的主要功能需要保证硅芯片和散热基板之间的电气绝缘能力以及良好的导热能力，同时还要满足一定的电流传输能力。DBC基板类似2层PCB电路板，PCB中间的绝缘材料一般为FR4，而DBC常用的陶瓷绝缘材料为氧化铝（Al2O3）和氮化铝（AlN）。

对于本文所分析的IGBT模块，内部有6个DBC，每个DBC上有4个IGBT芯片和2个Diode芯片，其中2个IGBT芯片和1个Diode芯片作为上管，剩下的作为下管，如图所示。

图. DBC平面图和等效电路

③ IGBT芯片：

模块内部采用的IGBT芯片型号为：IGCT136T170，手册可以从英飞凌官网下载。图为IGBT芯片的平面俯视图和基本参数。IGBT的门极和发射极在芯片的上方（正面），集电极在下方（背面），芯片的厚度为200um，相当于0.2mm，这么薄的器件能够承受1700V，117.5A的电负荷，是多么的厉害啊。IGBT开通后，电流是从下至上流动的，因此也可以称这种结构的IGBT为纵向器件。

图 IGBT芯片平面图和基本参数

如果把这200um的芯片上再纵向来一刀，就可以得到如图所示的内部结构了，里面是由不同参杂的P型或N型半导体组合而成的。图为我们熟知的IGBT等效电路，通常都将IGBT理解为一个MOS控制的PNP晶体管。

图：IGBT 芯片结构及其等效电路

让我们再稍微了解一下这颗IGBT芯片的电气参数，这个芯片在100℃下，可通过直流电流为117.5A。由图可知，模块内部的单个IGBT器件一共包含12个IGBT芯片，因此总的电流为：117.5*12=1412A，与IGBT模块手册中的1400A额定电流基本一致。

为了保证IGBT芯片之间的均流效果，每个芯片栅极内部已经集成了11.5Ω的电阻。同时考虑到DBC之间的均流，每个DBC上的两个芯片外部又共用了一个门极电阻，如图所示。

图 IGBT 内部等效电路

④ Diode芯片（二极管）：

图为Diode芯片的平面俯视图，正面为阳极，背面为阴极。二极管的电流方向是从上至下的，正好与IGBT的电流方向相反。Diode芯片额定电流为235A，每个IGBT由6个Diode并联组成，总电流可达1410A，与模块手册中的1400A也基本一致。Diode芯片的厚度与IGBT一样，也为200um。关于Diode芯片更详细的参数可以参考官方手册。

图：Diode 二极管平面图及基本参数

看到这里，你会不会惊叹在面积这么小，而且这么薄的半导体材料上就可实现上kV电压和上百A电流的开通和关断，真了不起，这也是为什么大功率半导体器件价格都很昂贵的原因。

⑤ 键合线：

IGBT芯片、Diode芯片以及DBC的上铜层互连一般采用键合线实现，常用的键合线有铝线和铜线两种，如图所示。其中铝线键合工艺成熟、成本较低，但是铝线键合的电气、热力学性能较差，膨胀系数失配大，影响IGBT使用寿命。而铜线键合工艺具有电气、热力学性能优良等优点，可靠性高，适用于高功率密度、高效散热的模块。

图. 铝键合线vs 铜键合线

关于IGBT内部结构的介绍先到这里，更详细的说明可参考Infineon官方书籍《IGBT模块：技术、驱动和应用》。

IGBT模块内部电流走向

对IGBT模块内部结构有了基本了解后，让我们回过头来，把上面的所有部件互连起来，看看IGBT模块内部电流是怎么流动的。在这里我们以其中一个DBC中的上管IGBT为例说明电流的流向，红色代表上管IGBT（S1和S2）电流方向，蓝色代表二极管D1电流方向。图b为图a模块的左视剖面图及电流方向示意图，感兴趣的小伙伴可以画画下管IGBT的电流走向。

图. IGBT电流走向图

这篇文章是转载的内容，因为感觉写的比较通俗易懂，并且又清晰专业。故转载来分享给大家。

转载声明：

半导体IGBT模块内部结构的详解； - 知乎 作者：爱在七夕时

半导体IGBT模块的详解 - 知乎 作者：半导体封装工程师之家