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9月即将量产,东芝纯碳化硅产品提上日程

在近日的PCIM Aisa 2021展上,《国际电子商情》记者专访了东芝电子元件(上海)有限公司分立器件应用技术部门高级经理屈兴国,一起交流了东芝的IEGT大功率器件、IEGT压接模组子单元、碳化硅混合模块、碳化硅MOS模块、智能功率器件以及其它分立器件产品,此外还讨论了东芝纯碳化硅的开发路线,据了解,东芝最快将于今年9月量产纯碳化硅产品。

2021年9月9日-11日,PCIM Asia 2021在深圳国际会展中心举办。作为德国顶尖专业电力电子展会PCIM Europe的姐妹展,自2002年在中国首办以来,PCIM Asia一直受到亚洲电力电子及相关应用从业者的关注。vFfesmc

在近日的PCIM Aisa 2021展上,《国际电子商情》记者专访了东芝电子元件(上海)有限公司分立器件应用技术部门高级经理屈兴国,一起交流了东芝的IEGT大功率器件、IEGT压接模组子单元、碳化硅混合模块、碳化硅MOS模块、智能功率器件以及其它分立器件产品,此外还讨论了东芝纯碳化硅的开发路线,据了解,东芝最快将于今年9月量产纯碳化硅产品。vFfesmc

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图1 主推压接式封装IEGT器件vFfesmc

20世纪90年代末,东芝基于注入增强的技术注册了专用名称IEGT(栅极注入增强型晶体管),可以把它理解为东芝特制的IGBT。东芝的IEGT有两种的封装方式,一种是PPI压接式封装,另一种是PMI模块封装。vFfesmc

其中,PPI压接式通过上下铜板和钼片,直接把芯片压接在内部,芯片内部无引线键合。这种方式可做到双面散热,比单面散热的传统封装方式可靠性更高。以采用压接式封装的东芝3300V和4500V电压的IEGT为例,目前已经有多代量产产品,如:产品型号后缀为24、24A、28的是老一代产品,Tj(结温)为125℃;产品型号后缀为31A、32的是新一代产品,Tj为150℃。vFfesmc

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图2 东芝85mm、125mm台面直径的PPI压接式封装IEGT模块(红圈里的金色圆柱体是弹簧,它是连接IGBT芯片的门极,汇总后引至侧面端口。该器件里面有多颗小晶圆,所有的门极通过该弹簧连接到PCB板上,汇总后通过旁边的端口引出,用于整个器件的门极控制。在外部来看,该器件就是一个门极控制,但实际上它的内部有42颗IGBT芯片。)vFfesmc

PPI压接式封装的IEGT可以说是东芝首创,第一代压接式产品内部采用晶闸管晶圆。在2000年以后,东芝停止了晶闸管的产品,改用IEGT芯片来生产PPI压接式IEGT,目前东芝主要有台面直径为85mm和125mm的压接式IEGT产品。vFfesmc

大功率IEGT器件的最终应用,是需要将器件压接组装成模组,才能被客户使用。为了能让客户更便捷地了解和使用器件,东芝和第三方公司合作。这次展出的IEGT压接模组子单元,是东芝与雅创、青铜剑三方合作的产品。vFfesmc

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图3 东芝、雅创、青铜剑三方合作开发的IEGT压接模组子单元(该方案是两电平半桥拓扑、采用4.5kV 3kA压接式IEGT,可用于海上风电等大功率设备的变流器中。)vFfesmc

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图4 青铜剑1QP0650V45-Q(采用青铜剑ASIC芯片组结合CPLDD芯片设计组成,针对4500V以下压接封装IGBT/IEGT定制开发而成,是一款适配单管模块的驱动方案。)vFfesmc

屈兴国强调,与青铜剑的合作能助力新客户快速测试东芝的IEGT产品。一般情况下,厂家要了解一个器件,会先测试单颗器件的性能,若性能达标则再设计相应的产品。而与青铜剑的合作可为客户省去测试和组装的时间。vFfesmc

在他看来,东芝与生态伙伴的合作相当于资源共享。“当客户需求时,东芝找生态伙伴来做推广,共同推出符合客户需求的产品。这类合作是定制化的,因每一家客户的要求不一样,相应的产品设计会有差异化,最终出来的装置也不一样,不过东芝提供的器件是一样的。”vFfesmc

实际上,除了雅创和青铜剑之外,东芝近年来一直在尝试功率器件本土化。屈兴国透露,早在2018年,东芝就已经在国内寻找意向客户,现在正与国内一家大公司在谈IEGT产品上的合作。“国产化是大趋势,前几年开始,东芝就在推广芯片的业务,也重视中国国产化的趋势。”vFfesmc

据悉,目前东芝所有的芯片都在日本国内生产,后道的封装主要分散在日本、马来西亚、泰国、中国。vFfesmc

近期马来西亚疫情反扑,对许多半导体厂商的产能造成了影响,东芝在马来西亚也有封装厂,其产能是否也有受到影响?对此问题,屈兴国表态称,其实不止东芝一家,相信其他在马来西亚设厂的半导体厂商的产能均有受影响。vFfesmc

性价比更高的碳化硅混合模块

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图5 SiC混合模块vFfesmc

值得注意的是,东芝也展出了其SiC混合模块,该混合模块是介于硅和碳化硅之间的产品,可称之为混合型的IGBT。该器件采用PMI封装方式,内部的IGBT(IEGT芯片)采用硅材料,但是二极管部分采用碳化硅材料(SiC-SBD芯片)。vFfesmc

屈兴国解释说,有一些应用场景对二极管要求比较高,由于碳化硅二极管的反向恢复时间比较短,其损耗可减少97%,所以采用碳化硅二极管,会让器件散热损耗更低。所以东芝就制作了这种混合型的器件,可帮助机车变流器缩小40%以上的体积。东芝当前SiC SBD混合模块的产品阵容有1700V/1200A(封装尺寸130mm140mm)以及3300V/1500A(140mm190mm)两种。vFfesmc

“SiC混合模块在日本的机车变流器上应用得比较多,在国内机车变流器上还有较大的成长空间。目前,国内机车变流器主要采用硅IGBT器件,或者预研项目尝试纯碳化硅器件。目前碳化硅良品率还很低,相比之下SiC混合模块的性价比更高。”vFfesmc

举一个通俗的例子:如果硅材料IGBT的价格为1,同样电流、电压等级的碳化硅器件报价可能是7或8。有很多厂商表态,当碳化硅的价格在3-5时,他们就可以尝试接受。SiC混合模块作为中间产品,它现在的价格大约为2-3。相对而言,SiC混合模块具备一定的性价比优势。vFfesmc

据屈兴国介绍,东芝SiC混合模块当前面临的挑战是——除了成本,国内机车客户的消费习惯问题,现在大家的目光更聚焦在纯碳化硅上。vFfesmc

东芝纯碳化硅器件正逐步量产

在新能源汽车上的碳化硅应用,东芝也有自己的观点。屈兴国表示,根据电池电压的不同,主要可分为300V-400V以及800V这两大类。其中,普通的乘用车采用300V-400V的电池,主要使用650V或750V的IGBT,这会是硅的主流市场;而大巴车或要求更高的车采用800V的电池,则需要用到1200V的功率器件,这将会是碳化硅的主流市场。vFfesmc

东芝的纯碳化硅产品还属于工控产品,目前暂无车载碳化硅产品,不过已经计划车规级纯碳化硅器件。vFfesmc

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图6 东芝纯碳化硅开发路线图vFfesmc

东芝此次也带来了纯碳化硅MOS管的最新研发消息,据了解碳化硅MOSFET模块1200V/600A双管、1700V/400A双管、3300V/800A双管产品均在开发中,根据规划3300V/800A双管系列产品在今年5月已经有商业样品,并将于今年9月-10月进入量产阶段,首批客户是日本国内的电力机车客户;1700V/400A双管产品将会第二个发布,主要应用于风电、太阳能等新能源领域;另外,1200V/600A双管产品也大致与1700V/400A双管同期发布,将主要应用于新能源汽车的充电桩。vFfesmc

其他亮点展品

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图7 东芝车载分立器件(下面金色裸片是750V/400A的IGBT芯片,主要于新能源车,目前东芝正在向国内模块厂家做推广)vFfesmc

屈兴国还介绍了应用在汽车领域的分立器件,包括光耦、车用IGBT等产品。东芝在光耦市场已经耕耘了多年,是当前为数不多的具有车规光耦的厂家。vFfesmc

此外,东芝还带来了应用在小电流场景中的IPD产品。这些产品的电流最大为5A,最小为0.7A,主要应用于200W以下直流无刷马达的家电产品,比如空调的室内风机和室外风机。vFfesmc

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图8 由雅创公司提供的水冷散热系统(可用于东芝IEGT功率器件应用的散热)vFfesmc

东芝的合作伙伴雅创制作了一款水冷散热系统,该系统主要用于新能源充电桩。屈兴国解释说:“现在很多充电桩是快充,当电流大了以后,充电线上会发热,该散热系统采用去油或离子水作为介质,可带走充电线上的发热。”据了解,雅创水冷散热系统,可用于东芝IEGT器件应用的散热。vFfesmc

明年将会有哪些新展品?

大功率半导体器件不是每年都有全新产品推出,就算有新品也只是外封装一样、内部性能有一些提升。比如,东芝的一代和二代纯碳化硅器件,在外形上看起来一样,但在芯片上做了升级。屈兴国相信,明年东芝将会展出碳化硅量产产品。另外,在750V产品上会有更多的产品(现在是750V/400A)。vFfesmc

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李晋
国际电子商情助理产业分析师,专注汽车电子、人工智能、消费电子等领域的市场及供应链趋势。
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