IGBT等功率器件：芯片更薄，封裝散熱更好，集成度更高

近日，三菱電機功率半導體制作所參加了上海2014年PCIM亞洲展，總工程師佐藤克己介紹了IGBT等功率器件的發展趨勢。

IGBT芯片發展進程

I G B T芯片始于19世紀80年代中期。30年以來，就FOM（優點指數）來說，今日的IGBT芯片比第一代性能提升了20倍左右，其中改良技術包括：精細化加工工藝、柵式IGBT的開發（如三菱電機的CSTBT），以及薄晶圓的開發等等。如今，三菱電機的IGBT芯片已經踏入第7代，正朝第8代邁進。

隨著產品的更新換代，功耗越來越低，尺寸越來越小。從80年代中期至今，芯片尺寸只是原來的1/4。

根據IGBT電流容量和市場需求，功率器件分成四大類，包括用于家電變頻器的小功率器件，用于工業的較大功率器件，應用在電動汽車的中功率器件，用于電力和牽引的大功率器件。今后都將朝高電流密度、小型化封裝及低損耗方向演進。

具體改良措施

三菱電機第7代IGBT模塊，功耗降低了約15%～20%，分NX（通用）系列和STD（標準）系列兩種封裝，取消了絕緣基板，提高了散熱性，使產品變得更輕，效率提升了35%。為了降低反復開關造成的噪音，三菱電機增強了通過柵極電阻調節dv/dt的可控性。

● 晶圓片更薄。芯片變薄，使功耗得以降低，但變薄后耐壓特性會變差，所以要適度逐層調整，才能使之更耐用和更有效。第7代IGBT芯片涵蓋的電壓等級有600V、1200V和1700V。 在晶圓尺寸方面，從2000年開始的5英寸，發展至今日的8英寸，最薄達到50微米。晶圓還會繼續朝12英寸發展，產品變得更薄，電阻更低。

目前之所以8英寸晶圓是主流，除了晶圓尺寸外，還要考慮基板問題。現在還沒有供應商能提供12英寸穩定高壓IGBT使用的基板；反觀8英寸單晶硅的硅板基板供貨穩定，價格比12英寸低很多。

● 封裝。功率器件的封裝技術決定其散熱性能。為了保護裸晶圓不受外界干擾，所有IGBT及IPM模塊都要封裝起來，甚至把功能集成起來，這樣使用起來更方便及安全，也縮短客戶產品開發周期。在最新一代的封裝技術中，三菱電機采用了針型散熱器，結合到銅基板或鋁基板上，系統將更小型化。

● 應用。需要根據一些特殊應用調整產品。例如電動汽車IGBT與一般工業用的IGBT在技術工藝性能上的主要區別在生產工序，因為是車載產品，需要實現超高品質車載級模塊。在IGBT加工工序的開始，每個生產工序都需要管理，對生產過程進行精細控制，產品出貨時要有檔案管理。如果有一個產品出問題，馬上可以查到數據。目前，日系混合動力車基本上使用三菱電機的模塊。

未來方向

*第8代IGBT。1200V第7代IGBT芯片100微米厚，但通過理論計算，要達到1200V耐壓值，芯片厚度可以減少到80微米。第8代IGBT將朝芯片晶圓超薄化，并提升加工工藝的方向發展，不僅提升晶圓性能，同時達到降低損耗的效果。

*SiC/混合SiC。目前碳化硅（SiC）價格較高，適合高性價比的場合。對于一般的家用或低壓變頻器產品，就算是混合碳化硅的價格也沒法接受。在研發混合碳化硅產品時，目標是價格不超過同等電流等級單晶硅產品的兩倍。在生產中，由于碳化硅本身的基板上壞點比單晶硅多，成品率低，造成價格居高不下。估計至少5至8年碳化硅/混合碳化硅才能商品化。

三菱電機已開始引入混合碳化硅產品，即IGBT芯片用傳統單晶硅，續流二極管用碳化硅，恢復特性特別好，開關頻率越高，節能效果更好。例如，在30kHz開關的應用條件下，混合碳化硅產品的功耗可以降低50%，非常適合應用于醫療設備，如核磁共振和CT彩超等應用中。（王瑩）