| 功率半导体观察:Si新产品及新技术 |
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| (2013-7-9 13:27:16) 1386人次浏览 |
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【功率半导体观察】Si基产品也有很多新产品及新技术
在PCIM上，不仅下一代功率半导体的飞跃式发展引人注目，使用现行材料Si的IGBT、MOSFET和功率模块的新技术、新产品也纷纷亮相。英飞凌就借此次展会之机发布了多款新产品（图5）。该公司在超结（SJ）构造的MOSFET（SJ MOSFET）和IGBT模块领域拥有很高的份额。
图5：Si功率元件的新产品和新技术接连发布
英飞凌发表了使用Si的超结MOSFET和IGBT的新产品（a，b），展出了用于车载设备的IGBT模块以及采用了TIM导热材料的功率模块（c，d）。
SJ MOSFET方面，英飞凌发布了号称“导通电阻为业内最小”的“CoolMOS”系列新产品“C7”。这是该公司的第7代SJ MOSFET，耐压为650V，采用TO-247封装的品种的导通电阻为19mΩ，TO-220封装品为45mΩ。
C7设想用于需要高速开关的用途，例如光伏发电系统、服务器、通信设备、UPS等。即便是在开关频率为100kHz的用途，也能实现高效率。该产品已开始提供样片，计划2013年6月投入量产。
展出低损耗及高输出功率的产品
在英飞凌的IGBT产品方面，处于提供样片阶段的“TRENCHSTOP5”系列的耐压650V的品种已于2013年5月开始量产。该产品的特点在于损耗低。与该公司以往产品（耐压为600V的“H3”）相比，关闭时的损耗大约减少了60%。栅电荷（Qg）也小于H3，还不到H3的一半。
IGBT模块方面，该公司展出了面向车载设备的新产品“EconoDUAL3”系列。新产品的特点是输出电流大于该公司以往产品，从过去的450A扩大到了600A。电流的扩大是通过使用Cu线对IGBT进行键合、从而降低模块内部导线电阻等方法实现的。该系列将从2013年第四季度开始提供样片，在2014年下半年投入量产。
除此之外，英飞凌还公开了将增加使用TIM导热膏的功率模块产品的计划，并展出了采用TIM的模块。该公司表示，使用TIM后，功率模块与散热片之间的热阻可以降低20%（注1）。
（注1）在功率模块内部，功率元件（芯片）一般是用锡焊焊接在绝缘基板（DCB基板）上。DCB基板焊接在被称作“底板”的金属板上，半导体芯片散发的热量透过DCB基板和底板传递到散热片上释放。而底板与散热片之间的接合使用的就是TIM。
IGBT也使用300mm基板制造
除了发布新产品之外，英飞凌在展会上还透露了耐压为1.2kV的IGBT和IGBT模块的开发蓝图（图6）。
图6：Si基板的大口径化与薄型化，提高IGBT的功率密度
英飞凌透露了耐压为1.2kV的IGBT的开发蓝图。制造IGBT使用的Si基板的口径将从现在的200mm扩大到300mm，以降低成本（a）。同时缩小Si基板的厚度，降低损耗（b）。该公司计划在可容许的范围内提高IGBT的接合温度，并且提高功率密度。在展位上展示了正在开发的IGBT（c）。（（a）与（b）为《日经电子》根据英飞凌的资料制作）
英飞凌为了提高生产性以削减制造成本，将扩大制造IGBT使用的Si基板的口径。该公司目前使用的Si基板的口径为200mm，将来准备采用12英寸，也就是300mm口径的Si基板。
SJ MOSFET方面，该公司从2013年2月开始使用300mm基板进行量产，今后还将推广至IGBT，最早将在2013年内开始使用300mm基板。
在增大Si基板的同时，还将推进基板薄型化。一般来说，基板越薄则IGBT的损耗越小。但如果太薄，不仅基板容易曲翘，难以进行制造，而且不容易维持耐压。
现在，Si基板的厚度约为100μ～120μm，英飞凌计划到2020年使基板厚度达到70μm。据功率半导体技术人员介绍，在确保1.2kV耐压的前提下，这一厚度是“极限”。
另外，英飞凌还介绍了增加IGBT输出功率密度的蓝图。增加密度有助于实现IGBT模块的小型化，采用的方法是提高IGBT的容许接合温度。首先将把温度从现在的150℃提高到175℃，将来计划达到Si IGBT的理论极限——200℃。
通过提高接合温度来增加功率密度时，必须要为功率模块中的IGBT芯片采用新的封装技术以降低热阻。为此，该公司将采用名为“.XT”的下一代模块技术。
该技术是对IGBT芯片正面和背面的安装部分加以改进。正面的引线键合部分采用导热率更高的Cu替代AL，背面则采用自主接合技术，取代通常使用锡焊的方法。
这样，与过去采用锡焊时相比，导热率和可靠性都有望提高。采用这些技术后，功率模块（“PrimePACK”系列）的输出电流能够从过去的900A提高到1200A。
模块的基础部分通用
在IGBT模块领域与英飞凌争夺份额的三菱电机也发布了IGBT模块的新技术和新产品。例如，该公司展示了面向工业设备用途的注模式IGBT模块新概念（图7）。这种IGBT模块此前一直被用于白色家电等产品，在面向家电等大量生产相同的IGBT模块的用途中，注模式IGBT模块“不仅品质稳定，而且生产效率高”（三菱电机）。
而工业设备用途主要采用的是盒式模块。因为与家电相比，工业设备使用的模块数量少且品种多，无法充分发挥注模式模块生产效率高的优势。为此，该公司创造出了使功率模块内部安装半导体芯片、散热器、绝缘片的“基础”部分实现通用化，按照用途定制模块的外壳和端子（终端）部分，使注模式模块也适用于少量多品种生产（注2）。
图7：基础部分通用，支持少量多品种
三菱电机发布了面向工业设备的注模式IGBT模块新概念（a）。创造出了让功率模块内的“基础”部分通用、按照用途定制模块的管壳和端子部分，从而适应少量多品种生产的方法（b）。（（b）为《日经电子》根据三菱电机的资料制作）
（注2） 三菱电机表示，截至2013年5月底，具体规格和产品化等具体事宜尚未敲定。
除此之外，该公司还展示了为混合动力车和纯电动汽车开发的水冷式IGBT模块“J1系列”（图8）。该系列包括650V/600A与900V/400A两款产品，特点是安装面积只需117mm×113mm。该系列将6个IGBT元件集成于1个模块之上，属于“六合一”产品，与同时使用3个集成了2个元件的该公司老式产品相比，安装面积小了大约20%。解说员自豪地说，“在输出性能相同的车载IGBT模块中，安装面积达到了业内最小水平”。据介绍，J1系列预定于2013年9月开始供应样品，“量产最快估计也要到2015年”。
图8：车用IGBT模块安装面积缩小约20%
三菱电机发布了面向车用IGBT模块新产品“J1系列”。集成了6个IGBT元件，与使用3个集成2个元件的该公司以往产品相比，体积大约可以减少20%。
这一次，为了实现IGBT模块的小型化，三菱电机改进了IGBT芯片与模块的构造。IGBT芯片方面，车载用途过去一直采用该公司第5代产品，此次首次采用了第6代产品。模块方面，借助与散热片一体化的“直接水冷构造”，散热特性比该公司以往产品提高了40%。 （来源：《日经电子》）
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