IGBT等功率器件：芯片更薄，封装散热更好，集成度更高

　　近日，三菱电机功率半导体制作所参加了上海2014年PCIM亚洲展，总工程师佐藤克己介绍了IGBT等功率器件的发展趋势。

　　IGBT芯片发展进程

　　IGBT芯片始于19世纪80年代中期。30年以来，就FOM(优点指数)来说，今日的IGBT芯片比第一代性能提升了20倍左右，其中改良技术包括：精细化加工工艺、栅式IGBT的开发(如三菱电机的CSTBT)，以及薄晶圆的开发等等。如今，三菱电机的IGBT芯片已经踏入第7代，正朝第8代迈进。

　　随着产品的更新换代，功耗越来越低，尺寸越来越小。从80年代中期至今，芯片尺寸只是原来的1/4。

　　根据IGBT电流容量和市场需求，功率器件分成四大类，包括用于家电变频器的小功率器件，用于工业的较大功率器件，应用在电动汽车的中功率器件，用于电力和牵引的大功率器件。今后都将朝高电流密度、小型化封装及低损耗方向演进。

　　具体改良措施

　　三菱电机第7代IGBT模块，功耗降低了约15%~20%，分NX(通用)系列和STD(标准)系列两种封装，取消了绝缘基板，提高了散热性，使产品变得更轻，效率提升了35%。为了降低反复开关造成的噪音，三菱电机增强了通过栅极电阻调节dv/dt的可控性。

　　● 晶圆片更薄。芯片变薄，使功耗得以降低，但变薄后耐压特性会变差，所以要适度逐层调整，才能使之更耐用和更有效。第7代IGBT芯片涵盖的电压等级有600V、1200V和1700V。 在晶圆尺寸方面，从2000年开始的5英寸，发展至今日的8英寸，最薄达到50微米。晶圆还会继续朝12英寸发展，产品变得更薄，电阻更低。

　　目前之所以8英寸晶圆是主流，除了晶圆尺寸外，还要考虑基板问题。现在还没有供应商能提供12英寸稳定高压IGBT使用的基板;反观8英寸单晶硅的硅板基板供货稳定，价格比12英寸低很多。

　　● 封装。功率器件的封装技术决定其散热性能。为了保护裸晶圆不受外界干扰，所有IGBT及IPM模块都要封装起来，甚至把功能集成起来，这样使用起来更方便及安全，也缩短客户产品开发周期。在最新一代的封装技术中，三菱电机采用了针型散热器，结合到铜基板或铝基板上，系统将更小型化。

　　● 应用。需要根据一些特殊应用调整产品。例如电动汽车IGBT与一般工业用的IGBT在技术工艺性能上的主要区别在生产工序，因为是车载产品，需要实现超高品质车载级模块。在IGBT加工工序的开始，每个生产工序都需要管理，对生产过程进行精细控制，产品出货时要有档案管理。如果有一个产品出问题，马上可以查到数据。目前，日系混合动力车基本上使用三菱电机的模块。

　　未来方向

　　*第8代IGBT。1200V第7代IGBT芯片100微米厚，但通过理论计算，要达到1200V耐压值，芯片厚度可以减少到80微米。第8代IGBT将朝芯片晶圆超薄化，并提升加工工艺的方向发展，不仅提升晶圆性能，同时达到降低损耗的效果。

　　*SiC/混合SiC。目前碳化硅(SiC)价格较高，适合高性价比的场合。对于一般的家用或低压变频器产品，就算是混合碳化硅的价格也没法接受。在研发混合碳化硅产品时，目标是价格不超过同等电流等级单晶硅产品的两倍。在生产中，由于碳化硅本身的基板上坏点比单晶硅多，成品率低，造成价格居高不下。估计至少5至8年碳化硅/混合碳化硅才能商品化。

　　三菱电机已开始引入混合碳化硅产品，即IGBT芯片用传统单晶硅，续流二极管用碳化硅，恢复特性特别好，开关频率越高，节能效果更好。例如，在30kHz开关的应用条件下，混合碳化硅产品的功耗可以降低50%，非常适合应用于医疗设备，如核磁共振和CT彩超等应用中。