IGBT等功率器件：芯片更薄，封裝散熱更好，集成度更高

　　近日，三菱電機(jī)功率半導(dǎo)體制作所參加了上海2014年P(guān)CIM亞洲展，總工程師佐藤克己介紹了IGBT等功率器件的發(fā)展趨勢(shì)。

　　IGBT芯片發(fā)展進(jìn)程

　　IGBT芯片始于19世紀(jì)80年代中期。30年以來(lái)，就FOM(優(yōu)點(diǎn)指數(shù))來(lái)說(shuō)，今日的IGBT芯片比第一代性能提升了20倍左右，其中改良技術(shù)包括：精細(xì)化加工工藝、柵式IGBT的開(kāi)發(fā)(如三菱電機(jī)的CSTBT)，以及薄晶圓的開(kāi)發(fā)等等。如今，三菱電機(jī)的IGBT芯片已經(jīng)踏入第7代，正朝第8代邁進(jìn)。

　　隨著產(chǎn)品的更新?lián)Q代，功耗越來(lái)越低，尺寸越來(lái)越小。從80年代中期至今，芯片尺寸只是原來(lái)的1/4。

　　根據(jù)IGBT電流容量和市場(chǎng)需求，功率器件分成四大類，包括用于家電變頻器的小功率器件，用于工業(yè)的較大功率器件，應(yīng)用在電動(dòng)汽車的中功率器件，用于電力和牽引的大功率器件。今后都將朝高電流密度、小型化封裝及低損耗方向演進(jìn)。

　　具體改良措施

　　三菱電機(jī)第7代IGBT模塊，功耗降低了約15%~20%，分NX(通用)系列和STD(標(biāo)準(zhǔn))系列兩種封裝，取消了絕緣基板，提高了散熱性，使產(chǎn)品變得更輕，效率提升了35%。為了降低反復(fù)開(kāi)關(guān)造成的噪音，三菱電機(jī)增強(qiáng)了通過(guò)柵極電阻調(diào)節(jié)dv/dt的可控性。

　　● 晶圓片更薄。芯片變薄，使功耗得以降低，但變薄后耐壓特性會(huì)變差，所以要適度逐層調(diào)整，才能使之更耐用和更有效。第7代IGBT芯片涵蓋的電壓等級(jí)有600V、1200V和1700V。 在晶圓尺寸方面，從2000年開(kāi)始的5英寸，發(fā)展至今日的8英寸，最薄達(dá)到50微米。晶圓還會(huì)繼續(xù)朝12英寸發(fā)展，產(chǎn)品變得更薄，電阻更低。

　　目前之所以8英寸晶圓是主流，除了晶圓尺寸外，還要考慮基板問(wèn)題?，F(xiàn)在還沒(méi)有供應(yīng)商能提供12英寸穩(wěn)定高壓IGBT使用的基板;反觀8英寸單晶硅的硅板基板供貨穩(wěn)定，價(jià)格比12英寸低很多。

　　● 封裝。功率器件的封裝技術(shù)決定其散熱性能。為了保護(hù)裸晶圓不受外界干擾，所有IGBT及IPM模塊都要封裝起來(lái)，甚至把功能集成起來(lái)，這樣使用起來(lái)更方便及安全，也縮短客戶產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。在最新一代的封裝技術(shù)中，三菱電機(jī)采用了針型散熱器，結(jié)合到銅基板或鋁基板上，系統(tǒng)將更小型化。

　　● 應(yīng)用。需要根據(jù)一些特殊應(yīng)用調(diào)整產(chǎn)品。例如電動(dòng)汽車IGBT與一般工業(yè)用的IGBT在技術(shù)工藝性能上的主要區(qū)別在生產(chǎn)工序，因?yàn)槭擒囕d產(chǎn)品，需要實(shí)現(xiàn)超高品質(zhì)車載級(jí)模塊。在IGBT加工工序的開(kāi)始，每個(gè)生產(chǎn)工序都需要管理，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行精細(xì)控制，產(chǎn)品出貨時(shí)要有檔案管理。如果有一個(gè)產(chǎn)品出問(wèn)題，馬上可以查到數(shù)據(jù)。目前，日系混合動(dòng)力車基本上使用三菱電機(jī)的模塊。

　　未來(lái)方向

　　*第8代IGBT。1200V第7代IGBT芯片100微米厚，但通過(guò)理論計(jì)算，要達(dá)到1200V耐壓值，芯片厚度可以減少到80微米。第8代IGBT將朝芯片晶圓超薄化，并提升加工工藝的方向發(fā)展，不僅提升晶圓性能，同時(shí)達(dá)到降低損耗的效果。

　　*SiC/混合SiC。目前碳化硅(SiC)價(jià)格較高，適合高性價(jià)比的場(chǎng)合。對(duì)于一般的家用或低壓變頻器產(chǎn)品，就算是混合碳化硅的價(jià)格也沒(méi)法接受。在研發(fā)混合碳化硅產(chǎn)品時(shí)，目標(biāo)是價(jià)格不超過(guò)同等電流等級(jí)單晶硅產(chǎn)品的兩倍。在生產(chǎn)中，由于碳化硅本身的基板上壞點(diǎn)比單晶硅多，成品率低，造成價(jià)格居高不下。估計(jì)至少5至8年碳化硅/混合碳化硅才能商品化。

　　三菱電機(jī)已開(kāi)始引入混合碳化硅產(chǎn)品，即IGBT芯片用傳統(tǒng)單晶硅，續(xù)流二極管用碳化硅，恢復(fù)特性特別好，開(kāi)關(guān)頻率越高，節(jié)能效果更好。例如，在30kHz開(kāi)關(guān)的應(yīng)用條件下，混合碳化硅產(chǎn)品的功耗可以降低50%，非常適合應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備，如核磁共振和CT彩超等應(yīng)用中。