IGBT：新應(yīng)用帶動革新 國內(nèi)仍處追趕階段

前些年消費(fèi)電子和工業(yè)控制是推動IGBT市場快速發(fā)展的兩架馬車，中小功率IGBT大放異彩。如今在新能源汽車、高鐵、新能源等新興應(yīng)用的“提攜”下，大功率IGBT迎來了新的春天，而這些應(yīng)用帶來新的課題，與之相應(yīng)的是革新的永不止步。

新興應(yīng)用帶動產(chǎn)品革新

“雖然應(yīng)用不一，但針對家用、工業(yè)、電動汽車、高鐵等應(yīng)用對IGBT共性指標(biāo)就是功率損耗盡量降低。”三菱電機(jī)功率器件制造所所長西村隆司向《中國電子報(bào)》記者表示，“同時不同應(yīng)用有不同側(cè)重，比如電動汽車和高鐵更注重產(chǎn)品的穩(wěn)定性，而工業(yè)用IGBT是高頻的干擾度要盡量減少，對于家電產(chǎn)品則是在低頻的情況下盡量減少功率損耗。”西村隆司還指出，三菱電機(jī)已經(jīng)開發(fā)第六代IGBT了，在開發(fā)新一代功率器件時首先注重的是低損耗。比方電動汽車用IGBT采用壓注模的封裝方式，過去是用盒式的方式，而壓注模的方式比盒式的方式更加先進(jìn)，穩(wěn)定性更高。

另一方面，新的應(yīng)用領(lǐng)域提出了苛刻的電氣和機(jī)械要求。“比如電動汽車功率器件必須承受很高的電應(yīng)力和沉重的機(jī)械負(fù)荷(如撞擊或震動)，以及運(yùn)行過程中溫度的頻繁變化。”英飛凌科技(中國)有限公司工業(yè)及多元化電子市場部高級經(jīng)理馬國偉指出，“更長使用壽命、更高功率密度，以及允許使用新一代芯片的堅(jiān)固的模塊封裝，這些正是開發(fā)新的功率模塊所面臨的主要挑戰(zhàn)。”

而參與廠商都在全力以赴。英飛凌得益于諸如超聲波焊接功率端子、優(yōu)化基板結(jié)構(gòu)或可靠的創(chuàng)新PressFIT壓接式管腳技術(shù)等不計(jì)其數(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新，其最新的EconoPACK+D家族IGBT實(shí)現(xiàn)了更低導(dǎo)通損耗和優(yōu)化的雜散電感，可滿足新能源、電動汽車、工業(yè)等要求不斷提高的領(lǐng)域。三菱電機(jī)最新推出的家用太陽能發(fā)電用的PV-IPM，采用新型全柵型CSTBT，功率損耗更?。粌?nèi)部有高速二極管；在IGBT芯片上有溫度傳感器可以防止溫度過高；體積要比過去縮小30%，產(chǎn)品可靠性和壽命比過去都有提高，同時它還具有短路保護(hù)、控制電壓欠電壓保護(hù)和過溫保護(hù)，并有相應(yīng)保護(hù)信號輸出。

西村隆司還表示，三菱電機(jī)還將在未來推出第七代IGBT，其在結(jié)構(gòu)和制造工藝上有所改進(jìn)，功率損耗比第六代還要減少30%。

SiC應(yīng)用有望提速

雖然目前硅是IGBT的主流，但SiC(碳化硅)及GaN(氮化鎵)“取而代之”的跡象已開始顯現(xiàn)。西村隆司在解釋其中原因時表示，應(yīng)用SiC及GaN的IGBT有一些好處，比如高鐵冷卻器就可以做得非常小，混合動力汽車或許就不需要有冷卻系統(tǒng)了，三菱電機(jī)也在這方面加快布局。“三菱電機(jī)在2010年就研發(fā)成功了裝有SiC二極管的DIPIPM，而且已應(yīng)用在三菱電機(jī)部分空調(diào)上，但還沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用。GaN雖還沒有用在功率半導(dǎo)體內(nèi)，但已應(yīng)用在通信高頻器件中。”西村隆司指出。

英飛凌科技奧地利有限公司副總裁兼電源管理和分立器件業(yè)務(wù)部總經(jīng)理Andreas Urschitz也表示，在二極管領(lǐng)域，英飛凌早在10年前已量產(chǎn)SiC二極管，對此技術(shù)有高度的把握，但是仍然有一些重大的挑戰(zhàn)，比如采用SiC的MOSFET器件存在可靠性等問題。而GaN材料的IGBT尚未成熟，仍然存在一些挑戰(zhàn)，目前商用還比較少。

馬國偉則更看好SiC及GaN兩種材料在小功率方面的應(yīng)用，他提到，這些應(yīng)用更需要這種超密度、超高速的器件，而用在大功率IGBT則還有些遠(yuǎn)。而不同要求將使這些材料的應(yīng)用進(jìn)展不一。馬國偉表示，SiC一個明顯的缺點(diǎn)就是很貴。電機(jī)驅(qū)動、風(fēng)力發(fā)電等應(yīng)用不追求效率，他們追求的是輸出能力、可靠性等。而唯一會追求極高效率的應(yīng)用就是太陽能，如果能把效率提高一兩個百分點(diǎn)，前期投入成本、運(yùn)營收入都會產(chǎn)生明顯的益處，因而前期SiC在太陽能方面的應(yīng)用更有前景。

雖然目前SiC及GaN的材料昂貴限制了其大規(guī)模應(yīng)用，但業(yè)界仍對它們的前景寄予厚望。Andreas Urschitz提到，三五年內(nèi)6英寸產(chǎn)品的推出，將是SiC實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用的時候。

國內(nèi)企業(yè)還要著力提升

當(dāng)前，全球IGBT技術(shù)主要集中在歐美和日本企業(yè)手中，并已經(jīng)發(fā)展到了第六代，而我國只有少數(shù)企業(yè)從事IGBT的開發(fā)。據(jù)了解，主導(dǎo)廠商包括比亞迪、山東科達(dá)、無錫鳳凰、吉林華微、江蘇宏微等，比亞迪從芯片、模塊都自主開發(fā)和制造，目前已在其電動汽車上有應(yīng)用。山東科達(dá)、無錫鳳凰、吉林華微、江蘇宏微等都已開發(fā)了IGBT，并已應(yīng)用到電磁爐等市場。

北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院微電子學(xué)與固體電子學(xué)教授亢寶位介紹說，國內(nèi)在IGBT芯片和模塊封裝上都有差距，但封裝方面的差距正在縮小。國內(nèi)某些廠商宣稱開發(fā)了IGBT芯片，但應(yīng)用還比較少，還需要時間來檢驗(yàn)其性能。

“國內(nèi)目前的模式除了比亞迪、吉林華微外，大部分企業(yè)都找華潤上華、華虹NEC、上海先進(jìn)等代工廠制造IGBT芯片，而三菱電機(jī)、英飛凌等大都‘一手包辦’，只有一部分低端IGBT放在中國代工廠來做。而中國現(xiàn)有的這種模式能否成功，還需要時間檢驗(yàn)。”亢寶位表示。最近中國大陸投資興建了IGBT 8英寸芯片生產(chǎn)線，但亢寶位指出，如同IC一樣，其生產(chǎn)線一旦開工就不能停，如果接受程度不高、開工量不足的話，每天都要承擔(dān)很高的損失。因而，還需要把基礎(chǔ)夯實(shí)才有戲。

目前有的企業(yè)試圖以GaN及SiC之類的新材料為契機(jī)參與市場，但功率半導(dǎo)體的準(zhǔn)入門檻相當(dāng)高，不是那么輕易就能涉足的?？簩毼唤ㄗh，國內(nèi)企業(yè)應(yīng)從低功率IGBT入手，先做低端，慢慢積累經(jīng)驗(yàn)，再向中高端轉(zhuǎn)移，因?yàn)?strong>IGBT最重要的還是材料和工藝，是否擁有制造技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)是決定成敗的關(guān)鍵，這還需要花費(fèi)時間去摸索。