SiC和GaN生產(chǎn)普及 不再是“下一代”
摘要： 住友電工也參戰(zhàn) 日本企業(yè)中也有首次展出SiC器件的新軍住友電工。該公司展出的全SiC功率模塊不僅使用了SiC MOSFET，還使用了SiC肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）
關(guān)鍵字： SiC，GaN，功率半導(dǎo)體
“PCIM Europe”是功率器件、逆變器、轉(zhuǎn)換器等功率電子產(chǎn)品的展會(huì)。在市場(chǎng)要求降低耗電、減輕環(huán)境負(fù)荷等背景下，該展會(huì)的規(guī)模逐年擴(kuò)大，2013年共迎來了近8000名參觀者。在本屆展會(huì)上，開發(fā)SiC、GaN等下一代功率器件的企業(yè)有所增加，為數(shù)眾多的展示吸引了各方關(guān)注。SiC和GaN也變得不再是“下一代”。
“下一代功率半導(dǎo)體已經(jīng)不再特別”
2013年5月14～16日在德國(guó)紐倫堡舉辦的世界最大規(guī)模功率電子展會(huì)“PCIM Europe 2013”很好地體現(xiàn)了這一點(diǎn)。包括SiC制二極管及MOSFET、GaN功率晶體管在內(nèi)，使用下一代功率半導(dǎo)體的模塊和電力轉(zhuǎn)換器等展品琳瑯滿目(圖 1)。在PCIM舉辦的會(huì)議上，關(guān)于下一代功率半導(dǎo)體的研討會(huì)也選在了能夠容納200多人的大會(huì)議廳舉辦。
圖1：下一代功率元件與Si IGBT的技術(shù)不斷發(fā)展
從PCIM 2013上可以看到，開發(fā)SiC功率元件的企業(yè)增加，關(guān)于此類元件性價(jià)比的討論也在進(jìn)行。而且還發(fā)布了采用GaN元件的音響產(chǎn)品。Si功率元件方面，IGBT的成本壓縮和高輸出功率化、MOSFET的低導(dǎo)通電阻化都有進(jìn)展。
現(xiàn)行Si功率元件及使用這種元件的模塊也處于增長(zhǎng)趨勢(shì)。在混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車等汽車領(lǐng)域，光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等可再生能源領(lǐng)域，以及通用逆變器裝置、加工機(jī)等工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域，Si功率元件及其模塊的需求十分旺盛，新產(chǎn)品層出不窮。降低了成本并提高了輸出功率的IGBT以及實(shí)現(xiàn)了行業(yè)最小導(dǎo)通電阻的MOSFET也都登場(chǎng)。
臺(tái)灣企業(yè)也推出了SiC產(chǎn)品
在PCIM的展會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，包括SiC功率元件以及使用這種元件的功率模塊等SiC產(chǎn)品的數(shù)量之多格外引人注目。本屆PCIM上至少有10家企業(yè)展出了SiC相關(guān)的產(chǎn)品或試制品(圖2)。
圖2：開發(fā)SiC的企業(yè)激增
至少10家企業(yè)展出了SiC功率元件及使用這種元件的功率模塊。其中也有住友電氣工業(yè)這種首次在展會(huì)上披露SiC功率元件及模塊開發(fā)進(jìn)展的企業(yè)。
日本以外的參展企業(yè)有科銳、罡境電子、英飛凌、美高森美、意法半導(dǎo)體等，日本企業(yè)有富士電機(jī)、三菱電機(jī)、羅姆、住友電工、東芝等進(jìn)行了展示。
其中，來自臺(tái)灣的罡境電子的參展稱得上是SiC器件開發(fā)隊(duì)伍壯大的象征。在此之前，投產(chǎn)SiC器件的只有日美歐企業(yè)，亞洲企業(yè)還沒有實(shí)用化的。
罡境電子展示了SiC二極管產(chǎn)品。該公司解說員介紹，“實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化是最近的事情”。產(chǎn)品的耐壓為600V～1200V不等，使用直徑100mm的基板制造，但該公司沒有透露詳細(xì)的性能參數(shù)。[#page#]
住友電工也參戰(zhàn)
日本企業(yè)中也有首次展出SiC器件的新軍——住友電工。該公司展出的“全SiC”功率模塊不僅使用了SiC MOSFET，還使用了SiC肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)。該公司解說員說，“SiC MOSFET在2012年在學(xué)會(huì)上發(fā)表之后，是第一次在展會(huì)上公開”。
住友電工展示的功率模塊開發(fā)品的耐壓為1.2kV，輸出電流為100A，室溫下的電阻值為12mΩ，支持50kHz開關(guān)?，F(xiàn)在，該公司還在開發(fā)耐壓也是1.2kV，但降低了功率模塊電感的品種。
今后住友電工還準(zhǔn)備把耐壓提高到1.7kV、2.2kV、3.3kV。在展位上，該公司透露了耐壓為1.7kV的全SiC模塊的部分性能參數(shù)，輸出電流為400A，電阻值為7mΩ，支持50kHz開關(guān)。
雖然沒有透露商業(yè)化的相關(guān)消息，但鑒于目前已經(jīng)有多家企業(yè)投產(chǎn)SiC SBD，因此，該公司大力發(fā)展的對(duì)象，似乎將是涉足企業(yè)較少的SiC MOSFET和全SiC模塊的開發(fā)。
低成本化討論全面展開 隨著SiC器件生產(chǎn)商的增加，壓縮器件成本的力度估計(jì)將越來越大。在本屆PCIM上，關(guān)于使用SiC器件的性價(jià)比的討論已經(jīng)全面展開。
舉例來說，科銳在PCIM的會(huì)議上強(qiáng)調(diào)，通過使用SiC功率元件，可以削減電力轉(zhuǎn)換器的成本。在演講中，該公司以設(shè)想用于光伏發(fā)電系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)器的10kW級(jí)升壓轉(zhuǎn)換器為例，介紹了該公司估算出的使用Si IGBT和Si二極管，以及科銳生產(chǎn)的SiC MOSFET和SiC二極管時(shí)各自需要的成本。
科銳表示，與使用Si IGBT和Si二極管相比，使用該公司的第2代SiC MOSFET和SiC二極管能夠降低升壓轉(zhuǎn)換器的總成本。具體來說，通過提高開關(guān)頻率來縮小電感器、降低電感器的成本，可使總成本壓縮到比使用Si功率元件時(shí)更低的程度。
按照科銳估算的結(jié)果，如果使用Si功率元件，在20kHz下開關(guān)，需要的成本是181.4美元，而使用SiC功率元件，在60kHz、100kHz下驅(qū)動(dòng)的話，成本將分別降至170美元、163美元(圖3)。[!--empirenews.page--]
圖3：SiC功率元件使低成本化成為可能
科銳強(qiáng)調(diào)，使用SiC功率元件有望降低電力轉(zhuǎn)換器的總成本。以10kW級(jí)的升壓轉(zhuǎn)換器為例，通過提高開關(guān)頻率，能夠?qū)崿F(xiàn)電感器的小型化，從而使系統(tǒng)的總部件成本低于使用Si功率元件時(shí)的成本。
科銳的第2代SiC MOSFET在2013年3月剛剛發(fā)布。與第1代產(chǎn)品相比，通過縮小芯片面積等手段壓縮了成本。以耐壓為1.2kV的品種為例，第2代(“C2M0080120D”)的芯片面積比第1代(“CMF20120D”)縮小了約35%。
除了科銳，英飛凌也重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了壓縮成本的舉措。該公司通過把制造SiC功率元件使用的SiC基板的口徑從目前的100mm擴(kuò)大到150mm，提高了元件的生產(chǎn)效率，從而削減了成本。該公司在展會(huì)現(xiàn)場(chǎng)展示了在150mm基板上制作的SiC SBD。
GaN進(jìn)入音響產(chǎn)品
圖4：GaN功率元件被用于D級(jí)放大器
IR宣布，三星音響產(chǎn)品的D級(jí)放大器采用了該公司耐壓為100V的GaN功率元件。并在PCIM的展會(huì)現(xiàn)場(chǎng)展示了實(shí)機(jī)。
備受期待的下一代功率元件之一——GaN器件也終于開始被產(chǎn)品采用。在本屆展會(huì)上，國(guó)際整流器公司(IR)透露，三星電子的音響產(chǎn)品 “HTF9750W”的D級(jí)放大器采用了IR生產(chǎn)的耐壓為100V的GaN功率元件。IR在其PCIM展位上展示了D級(jí)放大器實(shí)機(jī)(圖4)。
GaN功率元件從2010年左右開始逐漸產(chǎn)品化，到2013年，供應(yīng)商已經(jīng)有約5家。元件廠商越來越多，但被實(shí)際用于產(chǎn)品的案例卻寥寥無幾。三星電子等大型設(shè)備廠商的采用或許將帶動(dòng)GaN功率元件的普及。
Si基產(chǎn)品也有很多新產(chǎn)品及新技術(shù)
在PCIM上，不僅下一代功率半導(dǎo)體的飛躍式發(fā)展引人注目，使用現(xiàn)行材料Si的IGBT、MOSFET和功率模塊的新技術(shù)、新產(chǎn)品也紛紛亮相。英飛凌就借此次展會(huì)之機(jī)發(fā)布了多款新產(chǎn)品(圖5)。該公司在超結(jié)(SJ)構(gòu)造的MOSFET(SJ MOSFET)和IGBT模塊領(lǐng)域擁有很高的份額。
圖5：Si功率元件的新產(chǎn)品和新技術(shù)接連發(fā)布
英飛凌發(fā)表了使用Si的超結(jié)MOSFET和IGBT的新產(chǎn)品(a，b)。
SJ MOSFET方面，英飛凌發(fā)布了號(hào)稱“導(dǎo)通電阻為業(yè)內(nèi)最小”的“CoolMOS”系列新產(chǎn)品“C7”。這是該公司的第7代SJ MOSFET，耐壓為650V，采用TO-247封裝的品種的導(dǎo)通電阻為19mΩ，TO-220封裝品為45mΩ。
C7設(shè)想用于需要高速開關(guān)的用途，例如光伏發(fā)電系統(tǒng)、服務(wù)器、通信設(shè)備、UPS等。即便是在開關(guān)頻率為100kHz的用途，也能實(shí)現(xiàn)高效率。該產(chǎn)品已開始提供樣片，計(jì)劃2013年6月投入量產(chǎn)。
展出低損耗及高輸出功率的產(chǎn)品 在英飛凌的IGBT產(chǎn)品方面，處于提供樣片階段的“TRENCHSTOP5”系列的耐壓650V的品種已于2013年5月開始量產(chǎn)。該產(chǎn)品的特點(diǎn)在于損耗低。與該公司以往產(chǎn)品(耐壓為600V的“H3”)相比，關(guān)閉時(shí)的損耗大約減少了60%。柵電荷(Qg)也小于H3，還不到H3的一半。
IGBT模塊方面，該公司展出了面向車載設(shè)備的新產(chǎn)品“EconoDUAL3”系列。新產(chǎn)品的特點(diǎn)是輸出電流大于該公司以往產(chǎn)品，從過去的 450A擴(kuò)大到了600A。電流的擴(kuò)大是通過使用Cu線對(duì)IGBT進(jìn)行鍵合、從而降低模塊內(nèi)部導(dǎo)線電阻等方法實(shí)現(xiàn)的。該系列將從2013年第四季度開始提供樣片，在2014年下半年投入量產(chǎn)。
除此之外，英飛凌還公開了將增加使用TIM導(dǎo)熱膏的功率模塊產(chǎn)品的計(jì)劃，并展出了采用TIM的模塊。該公司表示，使用TIM后，功率模塊與散熱片之間的熱阻可以降低20%(注1)。
(注1)在功率模塊內(nèi)部，功率元件(芯片)一般是用錫焊焊接在絕緣基板(DCB基板)上。DCB基板焊接在被稱作“底板”的金屬板上，半導(dǎo)體芯片散發(fā)的熱量透過DCB基板和底板傳遞到散熱片上釋放。而底板與散熱片之間的接合使用的就是TIM。[#page#]
IGBT也使用300mm基板制造
除了發(fā)布新產(chǎn)品之外，英飛凌在展會(huì)上還透露了耐壓為1.2kV的IGBT和IGBT模塊的開發(fā)藍(lán)圖(圖6)?！?/P>
[!--empirenews.page--]圖6：Si基板的大口徑化與薄型化，提高IGBT的功率密度
英飛凌透露了耐壓為1.2kV的IGBT的開發(fā)藍(lán)圖。制造IGBT使用的Si基板的口徑將從現(xiàn)在的200mm擴(kuò)大到300mm，以降低成本(a)。同時(shí)縮小Si基板的厚度，降低損耗(b)。該公司計(jì)劃在可容許的范圍內(nèi)提高IGBT的接合溫度，并且提高功率密度。在展位上展示了正在開發(fā)的IGBT(c)。((a)與(b)為《日經(jīng)電子》根據(jù)英飛凌的資料制作)
英飛凌為了提高生產(chǎn)性以削減制造成本，將擴(kuò)大制造IGBT使用的Si基板的口徑。該公司目前使用的Si基板的口徑為200mm，將來準(zhǔn)備采用12英寸，也就是300mm口徑的Si基板。
SJ MOSFET方面，該公司從2013年2月開始使用300mm基板進(jìn)行量產(chǎn)，今后還將推廣至IGBT，最早將在2013年內(nèi)開始使用300mm基板。
在增大Si基板的同時(shí)，還將推進(jìn)基板薄型化。一般來說，基板越薄則IGBT的損耗越小。但如果太薄，不僅基板容易曲翹，難以進(jìn)行制造，而且不容易維持耐壓。
現(xiàn)在，Si基板的厚度約為100μ～120μm，英飛凌計(jì)劃到2020年使基板厚度達(dá)到70μm。據(jù)功率半導(dǎo)體技術(shù)人員介紹，在確保1.2kV耐壓的前提下，這一厚度是“極限”。
另外，英飛凌還介紹了增加IGBT輸出功率密度的藍(lán)圖。增加密度有助于實(shí)現(xiàn)IGBT模塊的小型化，采用的方法是提高IGBT的容許接合溫度。首先將把溫度從現(xiàn)在的150℃提高到175℃，將來計(jì)劃達(dá)到Si IGBT的理論極限——200℃。
通過提高接合溫度來增加功率密度時(shí)，必須要為功率模塊中的IGBT芯片采用新的封裝技術(shù)以降低熱阻。為此，該公司將采用名為“.XT”的下一代模塊技術(shù)。
該技術(shù)是對(duì)IGBT芯片正面和背面的安裝部分加以改進(jìn)。正面的引線鍵合部分采用導(dǎo)熱率更高的Cu替代AL，背面則采用自主接合技術(shù)，取代通常使用錫焊的方法。
這樣，與過去采用錫焊時(shí)相比，導(dǎo)熱率和可靠性都有望提高。采用這些技術(shù)后，功率模塊(“PrimePACK”系列)的輸出電流能夠從過去的900A提高到1200A。
模塊的基礎(chǔ)部分通用
在IGBT模塊領(lǐng)域與英飛凌爭(zhēng)奪份額的三菱電機(jī)也發(fā)布了IGBT模塊的新技術(shù)和新產(chǎn)品。例如，該公司展示了面向工業(yè)設(shè)備用途的注模式 IGBT模塊新概念(圖7)。這種IGBT模塊此前一直被用于白色家電等產(chǎn)品，在面向家電等大量生產(chǎn)相同的IGBT模塊的用途中，注模式IGBT模塊“不僅品質(zhì)穩(wěn)定，而且生產(chǎn)效率高”(三菱電機(jī))。
而工業(yè)設(shè)備用途主要采用的是盒式模塊。因?yàn)榕c家電相比，工業(yè)設(shè)備使用的模塊數(shù)量少且品種多，無法充分發(fā)揮注模式模塊生產(chǎn)效率高的優(yōu)勢(shì)。為此，該公司創(chuàng)造出了使功率模塊內(nèi)部安裝半導(dǎo)體芯片、散熱器、絕緣片的“基礎(chǔ)”部分實(shí)現(xiàn)通用化，按照用途定制模塊的外殼和端子(終端)部分，使注模式模塊也適用于少量多品種生產(chǎn)(注2)。
圖7：基礎(chǔ)部分通用，支持少量多品種
三菱電機(jī)發(fā)布了面向工業(yè)設(shè)備的注模式IGBT模塊新概念(a)。創(chuàng)造出了讓功率模塊內(nèi)的“基礎(chǔ)”部分通用、按照用途定制模塊的管殼和端子部分，從而適應(yīng)少量多品種生產(chǎn)的方法(b)。((b)為《日經(jīng)電子》根據(jù)三菱電機(jī)的資料制作)
(注2) 三菱電機(jī)表示，截至2013年5月底，具體規(guī)格和產(chǎn)品化等具體事宜尚未敲定。
除此之外，該公司還展示了為混合動(dòng)力車和純電動(dòng)汽車開發(fā)的水冷式IGBT模塊“J1系列”(圖8)。該系列包括650V/600A與 900V/400A兩款產(chǎn)品，特點(diǎn)是安裝面積只需117mm×113mm。該系列將6個(gè)IGBT元件集成于1個(gè)模塊之上，屬于“六合一”產(chǎn)品，與同時(shí)使用 3個(gè)集成了2個(gè)元件的該公司老式產(chǎn)品相比，安裝面積小了大約20%。解說員自豪地說，“在輸出性能相同的車載IGBT模塊中，安裝面積達(dá)到了業(yè)內(nèi)最小水平”。據(jù)介紹，J1系列預(yù)定于2013年9月開始供應(yīng)樣品，“量產(chǎn)最快估計(jì)也要到2015年”。
圖8：車用IGBT模塊安裝面積縮小約20％
三菱電機(jī)發(fā)布了面向車用IGBT模塊新產(chǎn)品“J1系列”。集成了6個(gè)IGBT元件，與使用3個(gè)集成2個(gè)元件的該公司以往產(chǎn)品相比，體積大約可以減少20%。
這一次，為了實(shí)現(xiàn)IGBT模塊的小型化，三菱電機(jī)改進(jìn)了IGBT芯片與模塊的構(gòu)造。IGBT芯片方面，車載用途過去一直采用該公司第5代產(chǎn)品，此次首次采用了第6代產(chǎn)品。模塊方面，借助與散熱片一體化的“直接水冷構(gòu)造”，散熱特性比該公司以往產(chǎn)品提高了40%。
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