三菱電機(jī)功率器件的技術(shù)和產(chǎn)品趨勢(shì).pdf
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在對(duì)環(huán)境的投入已成社會(huì)必然要求的背景下，可有效利用資源和能源的電力電子技術(shù)主角 — 功率器件的作用，也就顯得尤為重要。 我們?nèi)怆姍C(jī)以“低損耗”和“小型化”功率器件的命題為基礎(chǔ)，時(shí)刻聽(tīng)取大家的意見(jiàn)；迄今為止，以引領(lǐng)變頻器產(chǎn)品市場(chǎng)的智能功率模塊為首，已制造出眾多產(chǎn)品。 今后，為了各領(lǐng)域中欲創(chuàng)造高附加價(jià)值產(chǎn)品的企業(yè)客戶，將更進(jìn)一步致力于功率器件的高功能化。不僅著眼于提高基本功能和開(kāi)發(fā)新功能，還將致力于可提高開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)效率的集成技術(shù)、合乎客戶需求的高性價(jià)比封裝技術(shù)等方面的技術(shù)鉆研。 我們將充分發(fā)揮積累至今的綜合性技術(shù)以及技術(shù)人員的精神，通過(guò)為企業(yè)客戶創(chuàng)造有用的產(chǎn)品，掀起電力電子技術(shù)世界的新潮流，一如既往地致力于功率器件的開(kāi)發(fā)，為建設(shè)未來(lái)環(huán)保型社會(huì)做貢獻(xiàn)。 在數(shù)百Hz〜數(shù)十kHz的領(lǐng)域中，三菱電機(jī)以IGBT元件為主要器件，開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)了可適用于電氣化鐵道、工業(yè)、汽車、醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)電子等眾多領(lǐng)域的各種功率模塊。在此，向大家介紹這一領(lǐng)域中的產(chǎn)品和技術(shù)趨勢(shì)。 
IPM產(chǎn)品通過(guò)內(nèi)置周邊電路，可縮短客戶的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)時(shí)間，有利于減少生產(chǎn)線上的裝配工序數(shù)及設(shè)備小型化。最近，除工業(yè)用途外，在家電產(chǎn)品中也得到了廣泛的應(yīng)用。而且，為有利于今后提高整體系統(tǒng)的效率，將繼續(xù)推進(jìn)周邊零部件的集成化及系統(tǒng)控制、系統(tǒng)保護(hù)功能、以及含信息通信功能等在內(nèi)的高功能化。 封裝在由分立式轉(zhuǎn)化為盒式的進(jìn)程中，現(xiàn)已出現(xiàn)了通用封裝概念的NX系列，和用于電氣化鐵道等的大容量、高絕緣型。而且，還開(kāi)發(fā)出可適用于半導(dǎo)體IC封裝技術(shù)的壓注模封裝，以DIPIPM™ 產(chǎn)品群為代表，以消費(fèi)電子為中心不斷推廣發(fā)展。 被稱為新一代盒式封裝的NX系列，其封裝概念為利用基本零件的通用化和裝配流程的靈活性，靈活應(yīng)對(duì)客戶需求，提高性價(jià)比。對(duì)盒體、底板、管腳、端子和盒蓋等基本零部件進(jìn)行通用化的同時(shí)，通過(guò)裝配過(guò)程中改變管腳配置、主端子安裝位置等方式，可滿足各客戶需求。
在IPM中，將驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)置于IGBT，并將溫度保護(hù)、控制電壓的欠壓保護(hù)、短路時(shí)的保護(hù)功能等一體化。現(xiàn)在的L系列，在此基礎(chǔ)上增加了EMI噪聲對(duì)策的柵極調(diào)整電路，還內(nèi)置了各電流頻段中的噪聲減少功能。壓注模封裝的產(chǎn)品 DIPIPM™ ，應(yīng)用IC的制作方法，實(shí)現(xiàn)全硅化，提高了生產(chǎn)效率。目前，正在推進(jìn)往其中的控制IC里載入更多功能的技術(shù)開(kāi)發(fā)。
同等產(chǎn)品（封裝尺寸）中獲取更多電流。反之，使必需電流實(shí)現(xiàn)更小封裝/產(chǎn)品的技術(shù)，已成為達(dá)到系統(tǒng)小型化及系統(tǒng)高電流密度的關(guān)鍵之一。 ２：第６代IGBT芯片開(kāi)發(fā) 功率模塊共同點(diǎn)課題就是“低損耗”和“小型化”。邁向新一代繼續(xù)發(fā)展高功能化、高性能化，也是以解決這些課題為大前提來(lái)考慮的。因此需要開(kāi)發(fā)出性能更優(yōu)越功率芯片。 首先看看搭載于功率模塊中的功率芯片與系統(tǒng)功率損耗的關(guān)系。從80年開(kāi)始，通過(guò)替換為使用雙極晶體管的第１代IGBT，就已產(chǎn)生了約30％的改善效果。其后從第１代更新到第３代，改善了約40％，切實(shí)降低了功率損耗，而目前的第５代為第1代的1/3〜1/4。這些損耗降低有利于實(shí)際應(yīng)用中節(jié)省電力，尤其在室內(nèi)空調(diào)等變頻家電產(chǎn)品達(dá)到了令人驚嘆的省電效果。
FOM值越大，性能就越高。
集電極到發(fā)射極的所經(jīng)路線，可用若干電阻元件分解表示。初期產(chǎn)品平面型IGBT有JFET電阻元件。為改善這一問(wèn)題，從第４代起導(dǎo)入溝槽結(jié)構(gòu)，消除了 JFET電阻元件，降低了功率損耗。而第５代，更設(shè)計(jì)了可減小體電阻的載流子蓄積層，力求降低損耗。在第６代，我們繼續(xù)追求從結(jié)構(gòu)上也降低損耗。
目前在第５代IGBT芯片上，開(kāi)發(fā)并采用了降低損耗效果極佳的CSTBT™ 結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在第６代IGBT芯片的開(kāi)發(fā)也采用了CSTBT™ 結(jié)構(gòu)。 第６代IGBT芯片開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)有以下兩點(diǎn)。改善短路耐量的結(jié)構(gòu)技術(shù) ––“雜質(zhì)濃度分布曲線的優(yōu)化”，和降低通態(tài)壓降、擴(kuò)大電流通道的“晶圓微細(xì)加工”。 IGBT芯片中安裝的晶體單元數(shù)量決定電流導(dǎo)通順暢程度，因此如何縮短溝槽間隔，將更多的晶體單元安裝到IGBT芯片中，就成為關(guān)鍵。從模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，若將溝槽間隔從目前的間距4µm壓縮到2.5µm時(shí)，功率損耗的基準(zhǔn)導(dǎo)通電阻可降低約20〜30％。
采用這項(xiàng)技術(shù)，可以降低導(dǎo)通阻抗，但其弊端是導(dǎo)致安全工作區(qū) （SOA） 變窄。為抑制這一弊端，確立了“優(yōu)化濃度分布曲線”的技術(shù)。 柵極閾值電壓是決定短路耐量和安全工作區(qū)SOA的一項(xiàng)指標(biāo)。閾值電壓低時(shí)，雖可獲得電流，但短路耐量會(huì)變短。反之，閾值電壓高時(shí)，短路耐量加強(qiáng)，但無(wú)法獲得電流。也就是說(shuō)，以閾值電壓為參數(shù)，電流容量和短路耐量存在背反關(guān)系。為改善此背反關(guān)系，確立了“優(yōu)化濃度分布曲線”的技術(shù)。 CSTBT™ 結(jié)構(gòu)在構(gòu)造上，雖有生產(chǎn)流程偏差容易影響閾值電壓等特性的問(wèn)題，但第６代IGBT芯片利用高能離子注入技術(shù)優(yōu)化濃度分布曲線，從結(jié)構(gòu)上改善了生產(chǎn)流程偏差的影響。減少閾值電壓偏差可使SOA的設(shè)計(jì)更有余地。故可通過(guò)微細(xì)加工力求低損耗，還可確保SOA。
通過(guò)改善偏差，在與以往相同的感性負(fù)載短路下，保證時(shí)間為10µs
定常損耗中，開(kāi)關(guān)損耗比第５代改善了約30%
除性能提高外，外觀比以往的NF系列尺寸縮小了約30％。
與第５代整體比較，通態(tài)壓降減小，偏差減半，從原來(lái)的±1V變成±0.5V。 在保持一般能力的同時(shí)，也確保了短路耐量和SOA，從整體上大幅度改善了權(quán)衡關(guān)系。 這些IGBT芯片從第５代到第６代發(fā)展的同時(shí)，二極管的技術(shù)開(kāi)發(fā)也與時(shí)俱進(jìn)。目標(biāo)就是通過(guò)使VF溫度系數(shù)為正，及背面陰極部分厚度變薄，以降低通態(tài)壓降。
與以往250〜300µm的厚度相比，減少到一半以下，為100幾十µm
二極管還有一個(gè)很大的問(wèn)題，即反向恢復(fù)工作時(shí)會(huì)引起電壓振蕩，成為噪聲源。二極管的特性決定在低溫、高壓、低電流的情況下，使之反向恢復(fù)工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電壓振蕩。但與第６代IGBT芯片組合使用的二極管器件，通過(guò)優(yōu)化濃度，可抑制電壓振蕩。
150A、1200V二極管芯片的驗(yàn)證。在額定電流（300A）約1/15左右的23A/cm²低電流下，使之工作。圖為開(kāi)關(guān)時(shí)的恢復(fù)波形
通態(tài)壓降和恢復(fù)損耗的關(guān)系。通態(tài)壓降變小時(shí)反向恢復(fù)電場(chǎng)變大。第６代比以往改善了約35％左右。 第６代IGBT芯片從FOM來(lái)說(shuō)，比以往改善了約1.3倍。即在同一電流密度下使用時(shí)，損耗降低了約30％。二極管芯片的損耗也比以往產(chǎn)品降低了約30％。使用這些芯片的IGBT模塊實(shí)現(xiàn)了低損耗，抑制了二極管恢復(fù)動(dòng)作時(shí)的電壓振蕩，做到了低EMI化。而且，利用封裝技術(shù)，進(jìn)行通用封裝下更大容量產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。 IPM及DIPIPM™ 方面，在力求低損耗和低EMI化的同時(shí)，更為提高功率密度，將可提高附加值的功能集成化，并結(jié)合到新一代產(chǎn)品中。 此外，關(guān)于比DIPIPM™ 更小容量即1A〜2A水平的產(chǎn)品方面，不采用模塊形式，而是開(kāi)發(fā)出用硅片將整個(gè)電路單元全部裝入在內(nèi)的芯片。1個(gè)半導(dǎo)體芯片即可構(gòu)成變頻電路的單片機(jī)變頻器。含共三層變頻驅(qū)動(dòng)用IGBT、保護(hù)電路、柵極驅(qū)動(dòng)功能，也包括控制功能，全部單片化。最初目標(biāo) — 500V/1A級(jí)別的產(chǎn)品已進(jìn)入開(kāi)發(fā)收尾階段，可向客戶提供樣品。
功率器件通過(guò)各項(xiàng)技術(shù)改善，可控制功率密度也得以提高。用雙極晶體管構(gòu)成的變頻器，功率密度為0.1 W/cc。體積為1 cc時(shí)，可控制功率密度為0.1 W左右。此數(shù)值IGBT芯片登場(chǎng)后，提升了一個(gè)數(shù)位，達(dá)到1 W /cc。而現(xiàn)在的第５代，已進(jìn)化到可控制數(shù)W／cc的水平。按此趨勢(shì)，通過(guò)低損耗的探索和技術(shù)革新，今后也將持續(xù)進(jìn)步。
由此，今后功率器件可望獲得更大的發(fā)展。 來(lái)源：三菱半導(dǎo)體 |
