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新應(yīng)用帶動(dòng)IGBT革新

發(fā)布時(shí)間:2011-07-11 來源:中國電子報(bào)

新聞事件:
  •     新能源“提攜”下,大功率IGBT迎來了新的春天
事件影響:
  •     SiC應(yīng)用有望提速
  •     國內(nèi)企業(yè)還要著力提升

前些年消費(fèi)電子和工業(yè)控制是推動(dòng)IGBT市場快速發(fā)展的兩架馬車,中小功率IGBT大放異彩。如今在新能源汽車、高鐵、新能源等新興應(yīng)用的“提攜”下,大功率IGBT迎來了新的春天,而這些應(yīng)用帶來新的課題,與之相應(yīng)的是革新的永不止步。

新興應(yīng)用帶動(dòng)產(chǎn)品革新


“雖然應(yīng)用不一,但針對家用、工業(yè)、電動(dòng)汽車、高鐵等應(yīng)用對IGBT共性指標(biāo)就是功率損耗盡量降低。”三菱電機(jī)功率器件制造所所長西村隆司向《中國電子報(bào)》記者表示,“同時(shí)不同應(yīng)用有不同側(cè)重,比如電動(dòng)汽車和高鐵更注重產(chǎn)品的穩(wěn)定性,而工業(yè)用IGBT是高頻的干擾度要盡量減少,對于家電產(chǎn)品則是在低頻的情況下盡量減少功率損耗。”西村隆司還指出,三菱電機(jī)已經(jīng)開發(fā)第六代IGBT了,在開發(fā)新一代功率器件時(shí)首先注重的是低損耗。比方電動(dòng)汽車用IGBT采用壓注模的封裝方式,過去是用盒式的方式,而壓注模的方式比盒式的方式更加先進(jìn),穩(wěn)定性更高。

另一方面,新的應(yīng)用領(lǐng)域提出了苛刻的電氣和機(jī)械要求。“比如電動(dòng)汽車功率器件必須承受很高的電應(yīng)力和沉重的機(jī)械負(fù)荷(如撞擊或震動(dòng)),以及運(yùn)行過程中溫度的頻繁變化。”英飛凌科技(中國)有限公司工業(yè)及多元化電子市場部高級經(jīng)理馬國偉指出,“更長使用壽命、更高功率密度,以及允許使用新一代芯片的堅(jiān)固的模塊封裝,這些正是開發(fā)新的功率模塊所面臨的主要挑戰(zhàn)。”

而參與廠商都在全力以赴。英飛凌得益于諸如超聲波焊接功率端子、優(yōu)化基板結(jié)構(gòu)或可靠的創(chuàng)新PressFIT壓接式管腳技術(shù)等不計(jì)其數(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新,其最新的EconoPACK+D家族IGBT實(shí)現(xiàn)了更低導(dǎo)通損耗和優(yōu)化的雜散電感,可滿足新能源、電動(dòng)汽車、工業(yè)等要求不斷提高的領(lǐng)域。三菱電機(jī)最新推出的家用太陽能發(fā)電用的PV-IPM,采用新型全柵型CSTBT,功率損耗更小;內(nèi)部有高速二極管;在IGBT芯片上有溫度傳感器可以防止溫度過高;體積要比過去縮小30%,產(chǎn)品可靠性和壽命比過去都有提高,同時(shí)它還具有短路保護(hù)、控制電壓欠電壓保護(hù)和過溫保護(hù),并有相應(yīng)保護(hù)信號輸出。

西村隆司還表示,三菱電機(jī)還將在未來推出第七代IGBT,其在結(jié)構(gòu)和制造工藝上有所改進(jìn),功率損耗比第六代還要減少30%。[page]

SiC應(yīng)用有望提速


雖然目前硅是IGBT的主流,但SiC(碳化硅)及GaN(氮化鎵)“取而代之”的跡象已開始顯現(xiàn)。西村隆司在解釋其中原因時(shí)表示,應(yīng)用SiC及GaN的IGBT有一些好處,比如高鐵冷卻器就可以做得非常小,混合動(dòng)力汽車或許就不需要有冷卻系統(tǒng)了,三菱電機(jī)也在這方面加快布局。“三菱電機(jī)在2010年就研發(fā)成功了裝有SiC二極管的DIPIPM,而且已應(yīng)用在三菱電機(jī)部分空調(diào)上,但還沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用。GaN雖還沒有用在功率半導(dǎo)體內(nèi),但已應(yīng)用在通信高頻器件中。”西村隆司指出。

英飛凌科技奧地利有限公司副總裁兼電源管理和分立器件業(yè)務(wù)部總經(jīng)理AndreasUrschitz也表示,在二極管領(lǐng)域,英飛凌早在10年前已量產(chǎn)SiC二極管,對此技術(shù)有高度的把握,但是仍然有一些重大的挑戰(zhàn),比如采用SiC的MOSFET器件存在可靠性等問題。而GaN材料的IGBT尚未成熟,仍然存在一些挑戰(zhàn),目前商用還比較少。

馬國偉則更看好SiC及GaN兩種材料在小功率方面的應(yīng)用,他提到,這些應(yīng)用更需要這種超密度、超高速的器件,而用在大功率IGBT則還有些遠(yuǎn)。而不同要求將使這些材料的應(yīng)用進(jìn)展不一。馬國偉表示,SiC一個(gè)明顯的缺點(diǎn)就是很貴。電機(jī)驅(qū)動(dòng)、風(fēng)力發(fā)電等應(yīng)用不追求效率,他們追求的是輸出能力、可靠性等。而唯一會(huì)追求極高效率的應(yīng)用就是太陽能,如果能把效率提高一兩個(gè)百分點(diǎn),前期投入成本、運(yùn)營收入都會(huì)產(chǎn)生明顯的益處,因而前期SiC在太陽能方面的應(yīng)用更有前景。

雖然目前SiC及GaN的材料昂貴限制了其大規(guī)模應(yīng)用,但業(yè)界仍對它們的前景寄予厚望。AndreasUrschitz提到,三五年內(nèi)6英寸產(chǎn)品的推出,將是SiC實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用的時(shí)候。

國內(nèi)企業(yè)還要著力提升


當(dāng)前,全球IGBT技術(shù)主要集中在歐美和日本企業(yè)手中,并已經(jīng)發(fā)展到了第六代,而我國只有少數(shù)企業(yè)從事IGBT的開發(fā)。據(jù)了解,主導(dǎo)廠商包括比亞迪、山東科達(dá)、無錫鳳凰、吉林華微、江蘇宏微等,比亞迪從芯片、模塊都自主開發(fā)和制造,目前已在其電動(dòng)汽車上有應(yīng)用。山東科達(dá)、無錫鳳凰、吉林華微、江蘇宏微等都已開發(fā)了IGBT,并已應(yīng)用到電磁爐等市場。

北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院微電子學(xué)與固體電子學(xué)教授亢寶位介紹說,國內(nèi)在IGBT芯片和模塊封裝上都有差距,但封裝方面的差距正在縮小。國內(nèi)某些廠商宣稱開發(fā)了IGBT芯片,但應(yīng)用還比較少,還需要時(shí)間來檢驗(yàn)其性能。

“國內(nèi)目前的模式除了比亞迪、吉林華微外,大部分企業(yè)都找華潤上華、華虹NEC、上海先進(jìn)等代工廠制造IGBT芯片,而三菱電機(jī)、英飛凌等大都‘一手包辦’,只有一部分低端IGBT放在中國代工廠來做。而中國現(xiàn)有的這種模式能否成功,還需要時(shí)間檢驗(yàn)。”亢寶位表示。最近中國大陸投資興建了IGBT英寸芯片生產(chǎn)線,但亢寶位指出,如同IC一樣,其生產(chǎn)線一旦開工就不能停,如果接受程度不高、開工量不足的話,每天都要承擔(dān)很高的損失。因而,還需要把基礎(chǔ)夯實(shí)才有戲。

目前有的企業(yè)試圖以GaN及SiC之類的新材料為契機(jī)參與市場,但功率半導(dǎo)體的準(zhǔn)入門檻相當(dāng)高,不是那么輕易就能涉足的??簩毼唤ㄗh,國內(nèi)企業(yè)應(yīng)從低功率IGBT入手,先做低端,慢慢積累經(jīng)驗(yàn),再向中高端轉(zhuǎn)移,因?yàn)镮GBT最重要的還是材料和工藝,是否擁有制造技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)是決定成敗的關(guān)鍵,這還需要花費(fèi)時(shí)間去摸索。
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