- 新能源“提攜”下，大功率IGBT迎來了新的春天
- SiC應(yīng)用有望提速
- 國內(nèi)企業(yè)還要著力提升
前些年消費電子和工業(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共性指標就是功率損耗盡量降低。”三菱電機功率器件制造所所長西村隆司向《中國電子報》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，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)力和沉重的機械負荷(如撞擊或震動)，以及運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)等不計其數(shù)的改進和創(chuàng)新，其最新的EconoPACK+D家族IGBT實現(xiàn)了更低導通損耗和優(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，功率損耗更小;內(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、控制電壓欠電壓保護和過溫保護，并有相應(yīng)保護信號輸出。
西村隆司還表示，三菱電機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，功率損耗比第六代還要減少30%。[page]
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，三菱電機也在這方面加快布局。“三菱電機在2010年就研發(fā)成功了裝有SiC二極管的DIPIPM，而且已應(yīng)用在三菱電機部分空調(diào)上，但還沒有實現(xiàn)大規(guī)模商用。GaN雖還沒有用在功率半導體內(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AndreasUrschitz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。而不同要求將使這些材料的應(yīng)用進展不一。馬國偉表示，SiC一個明顯的缺點就是很貴。電機驅(qū)動、風力發(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，前期投入成本、運營收入都會產(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。AndreasUrschitz提到，三五年內(nèi)6英寸產(chǎn)品的推出，將是SiC實現(xiàn)大規(guī)模商用的時候。
國內(nèi)企業(yè)還要著力提升
當前，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，主導廠商包括比亞迪、山東科達、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、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)大學電子信息與控制工程學院微電子學與固體電子學教授亢寶位介紹說，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、上海先進等代工廠制造IGBT芯片，而三菱電機、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。”亢寶位表示。最近中國大陸投資興建了IGBT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，每天都要承擔很高的損失。因而，還需要把基礎(chǔ)夯實才有戲。
目前有的企業(yè)試圖以GaN及SiC之類的新材料為契機參與市場，但功率半導體的準入門檻相當高，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，再向中高端轉(zhuǎn)移，因為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)驗是決定成敗的關(guān)鍵，這還需要花費時間去摸索。
