SiC和GaN生产普及 不再是“下一代”

【导读】住友电工也参战 日本企业中也有首次展出SiC器件的新军住友电工。该公司展出的全SiC功率模块不仅使用了SiC MOSFET，还使用了SiC肖特基势垒二极管（SBD）

摘要：  住友电工也参战 日本企业中也有首次展出SiC器件的新军住友电工。该公司展出的全SiC功率模块不仅使用了SiC MOSFET，还使用了SiC肖特基势垒二极管（SBD）

关键字：  SiC，GaN，功率半导体

“PCIM Europe”是功率器件、逆变器、转换器等功率电子产品的展会。在市场要求降低耗电、减轻环境负荷等背景下，该展会的规模逐年扩大，2013年共迎来了近8000名参观者。在本届展会上，开发SiC、GaN等下一代功率器件的企业有所增加，为数众多的展示吸引了各方关注。SiC和GaN也变得不再是“下一代”。

“下一代功率半导体已经不再特别”

2013年5月14～16日在德国纽伦堡举办的世界最大规模功率电子展会“PCIM Europe 2013”很好地体现了这一点。包括SiC制二极管及MOSFET、GaN功率晶体管在内，使用下一代功率半导体的模块和电力转换器等展品琳琅满目(图 1)。在PCIM举办的会议上，关于下一代功率半导体的研讨会也选在了能够容纳200多人的大会议厅举办。

　图1：下一代功率元件与Si IGBT的技术不断发展

从PCIM 2013上可以看到，开发SiC功率元件的企业增加，关于此类元件性价比的讨论也在进行。而且还发布了采用GaN元件的音响产品。Si功率元件方面，IGBT的成本压缩和高输出功率化、MOSFET的低导通电阻化都有进展。

现行Si功率元件及使用这种元件的模块也处于增长趋势。在混合动力汽车、纯电动汽车等汽车领域，光伏发电系统、风力发电系统等可再生能源领域，以及通用逆变器装置、加工机等工业设备领域，Si功率元件及其模块的需求十分旺盛，新产品层出不穷。降低了成本并提高了输出功率的IGBT以及实现了行业最小导通电阻的MOSFET也都登场。

台湾企业也推出了SiC产品

在PCIM的展会现场，包括SiC功率元件以及使用这种元件的功率模块等SiC产品的数量之多格外引人注目。本届PCIM上至少有10家企业展出了SiC相关的产品或试制品(图2)。

图2：开发SiC的企业激增

至少10家企业展出了SiC功率元件及使用这种元件的功率模块。其中也有住友电气工业这种首次在展会上披露SiC功率元件及模块开发进展的企业。

日本以外的参展企业有科锐、罡境电子、英飞凌、美高森美、意法半导体等，日本企业有富士电机、三菱电机、罗姆、住友电工、东芝等进行了展示。

其中，来自台湾的罡境电子的参展称得上是SiC器件开发队伍壮大的象征。在此之前，投产SiC器件的只有日美欧企业，亚洲企业还没有实用化的。

罡境电子展示了SiC二极管产品。该公司解说员介绍，“实现产品化是最近的事情”。产品的耐压为600V～1200V不等，使用直径100mm的基板制造，但该公司没有透露详细的性能参数。[#page#]

住友电工也参战

日本企业中也有首次展出SiC器件的新军——住友电工。该公司展出的“全SiC”功率模块不仅使用了SiC MOSFET，还使用了SiC肖特基势垒二极管(SBD)。该公司解说员说，“SiC MOSFET在2012年在学会上发表之后，是第一次在展会上公开”。

住友电工展示的功率模块开发品的耐压为1.2kV，输出电流为100A，室温下的电阻值为12mΩ，支持50kHz开关。现在，该公司还在开发耐压也是1.2kV，但降低了功率模块电感的品种。

今后住友电工还准备把耐压提高到1.7kV、2.2kV、3.3kV。在展位上，该公司透露了耐压为1.7kV的全SiC模块的部分性能参数，输出电流为400A，电阻值为7mΩ，支持50kHz开关。

虽然没有透露商业化的相关消息，但鉴于目前已经有多家企业投产SiC SBD，因此，该公司大力发展的对象，似乎将是涉足企业较少的SiC MOSFET和全SiC模块的开发。

低成本化讨论全面展开 随着SiC器件生产商的增加，压缩器件成本的力度估计将越来越大。在本届PCIM上，关于使用SiC器件的性价比的讨论已经全面展开。

举例来说，科锐在PCIM的会议上强调，通过使用SiC功率元件，可以削减电力转换器的成本。在演讲中，该公司以设想用于光伏发电系统功率调节器的10kW级升压转换器为例，介绍了该公司估算出的使用Si IGBT和Si二极管，以及科锐生产的SiC MOSFET和SiC二极管时各自需要的成本。

科锐表示，与使用Si IGBT和Si二极管相比，使用该公司的第2代SiC MOSFET和SiC二极管能够降低升压转换器的总成本。具体来说，通过提高开关频率来缩小电感器、降低电感器的成本，可使总成本压缩到比使用Si功率元件时更低的程度。

按照科锐估算的结果，如果使用Si功率元件，在20kHz下开关，需要的成本是181.4美元，而使用SiC功率元件，在60kHz、100kHz下驱动的话，成本将分别降至170美元、163美元(图3)。[!--empirenews.page--]

图3：SiC功率元件使低成本化成为可能

科锐强调，使用SiC功率元件有望降低电力转换器的总成本。以10kW级的升压转换器为例，通过提高开关频率，能够实现电感器的小型化，从而使系统的总部件成本低于使用Si功率元件时的成本。

科锐的第2代SiC MOSFET在2013年3月刚刚发布。与第1代产品相比，通过缩小芯片面积等手段压缩了成本。以耐压为1.2kV的品种为例，第2代(“C2M0080120D”)的芯片面积比第1代(“CMF20120D”)缩小了约35%。

除了科锐，英飞凌也重点强调了压缩成本的举措。该公司通过把制造SiC功率元件使用的SiC基板的口径从目前的100mm扩大到150mm，提高了元件的生产效率，从而削减了成本。该公司在展会现场展示了在150mm基板上制作的SiC SBD。

GaN进入音响产品

　图4：GaN功率元件被用于D级放大器

IR宣布，三星音响产品的D级放大器采用了该公司耐压为100V的GaN功率元件。并在PCIM的展会现场展示了实机。

备受期待的下一代功率元件之一——GaN器件也终于开始被产品采用。在本届展会上，国际整流器公司(IR)透露，三星电子的音响产品 “HTF9750W”的D级放大器采用了IR生产的耐压为100V的GaN功率元件。IR在其PCIM展位上展示了D级放大器实机(图4)。

GaN功率元件从2010年左右开始逐渐产品化，到2013年，供应商已经有约5家。元件厂商越来越多，但被实际用于产品的案例却寥寥无几。三星电子等大型设备厂商的采用或许将带动GaN功率元件的普及。

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)。

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。[#page#]

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)。　

[!--empirenews.page--]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%。