【導(dǎo)讀】三菱電機從事功率半導(dǎo)體開發(fā)和生產(chǎn)已有六十多年的歷史,從早期的二極管、晶閘管,到MOSFET、IGBT和SiC器件,三菱電機一直致力于功率半導(dǎo)體芯片技術(shù)和封裝技術(shù)的研究探索,本篇章帶你了解三菱電機功率器件發(fā)展史。
三菱電機從事功率半導(dǎo)體開發(fā)和生產(chǎn)已有六十多年的歷史,從早期的二極管、晶閘管,到MOSFET、IGBT和SiC器件,三菱電機一直致力于功率半導(dǎo)體芯片技術(shù)和封裝技術(shù)的研究探索,本篇章帶你了解三菱電機功率器件發(fā)展史。
半導(dǎo)體器件是當(dāng)今迅速發(fā)展的各類電力電子設(shè)備不可或缺的組成部分,是促進科技發(fā)展、社會進步的重要力量。作為諸多領(lǐng)域技術(shù)的創(chuàng)新者,三菱電機在半導(dǎo)體領(lǐng)域扮演著重要的角色。優(yōu)良的技術(shù)、現(xiàn)代化的制造工藝和充足的產(chǎn)能是三菱電機成功的關(guān)鍵。三菱電機功率器件發(fā)展史如下圖1所示。
圖1:三菱電機功率器件發(fā)展史
20世紀(jì)60年代,三菱電機推出了大功率二極管和晶閘管產(chǎn)品。晶閘管在電力電子產(chǎn)品的現(xiàn)代化進程中發(fā)揮了重要作用,并不斷朝著更高的耐壓和更大的電流發(fā)展。20世紀(jì)80年代,晶閘管從沒有自滅弧功能的逆阻晶閘管發(fā)展到自滅弧型GTO(Gate Turn Off)晶閘管,這種晶閘管即使在直流電路中也能通過向柵極施加負(fù)壓信號,使其從開啟狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)。此外,GCT(Gate Commutated Turn off)晶閘管繼承了GTO晶閘管的基本結(jié)構(gòu),并顯著降低了柵極的阻抗,實現(xiàn)了高速運行和高關(guān)斷性能。SGCT(Symmetrical Gate Commutated Turn off)晶閘管單元是一種具有反向阻壓能力的GCT晶閘管,通過集成經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的柵極驅(qū)動器,充分發(fā)揮GCT晶閘管的性能,同時有助于降低系統(tǒng)設(shè)計難度。
20世紀(jì)80年代,三菱電機開發(fā)了MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)模塊和IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模塊。MOSFET具有高速開關(guān)、電壓型驅(qū)動和低損耗等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于各類中小功率電力電子變換電路。IGBT集合了MOSFET的驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快和BJT通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點,成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主要器件,在中大功率電源應(yīng)用中占重要地位。
IGBT
三菱電機IGBT芯片發(fā)展史如圖2所示,第4代IGBT芯片結(jié)構(gòu)從平面柵結(jié)構(gòu)發(fā)展為溝槽柵結(jié)構(gòu)。第5代IGBT芯片在溝槽柵IGBT的基礎(chǔ)上增加了電荷存儲層,也即CSTBT?結(jié)構(gòu),改善了關(guān)斷損耗和集電極發(fā)射極飽和壓降的折衷關(guān)系,降低功率損耗。在此基礎(chǔ)上,第6代和第7代IGBT芯片不斷優(yōu)化芯片結(jié)構(gòu),減薄晶圓厚度,損耗得到進一步的降低。
圖2:IGBT芯片發(fā)展路線圖
第7代IGBT模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示,采用了直接環(huán)氧灌封(Direct Potting)樹脂和一體化絕緣金屬基板IMB(Insulated Metal Baseplate),去掉了絕緣層和金屬底板之間焊接層,大大提高了IGBT模塊的熱循環(huán)能力。在此基礎(chǔ)上開發(fā)的工業(yè)LV100封裝IGBT(圖4),涵蓋多個電壓等級(已有1.2kV、1.7kV和2kV),具有更高電流密度、更高可靠性,適合光伏、風(fēng)電、制氫電源及電機驅(qū)動等多個場合。
圖3:7th IGBT新型結(jié)構(gòu)
圖4:工業(yè)LV100封裝IGBT
IPM
三菱電機于1989年創(chuàng)造性地提出了智能功率模塊IPM(Intelligent Power Module)的概念。如圖5所示,逆變電路、驅(qū)動電路和保護電路一體化的解決方案大大減少了系統(tǒng)的體積、成本和開發(fā)時間。
圖5:IPM內(nèi)部框圖
最新G1系列IPM如圖6,采用與第7代IGBT模塊相同的IGBT芯片和二極管芯片技術(shù),實現(xiàn)極低損耗。除了傳統(tǒng)IPM的控制電源欠壓保護UV(Under Voltage protection)、短路保護SC(Short Circuit)和過熱保護OT(Over Temperature)外,G1系列還增加了開關(guān)速度切換和故障識別功能,有助于提高逆變器設(shè)備的性能和可靠性。
圖6:G1系列IPM
HVIGBT
1996年,三菱電機HVIGBT開始推向市場,憑借其優(yōu)異的性能和高可靠性,在鐵路、電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過不斷地優(yōu)化改進,三菱電機陸續(xù)推出了H系列、R系列、X系列,電壓范圍涵蓋1.7kV到6.5kV,IGBT電流等級不斷擴大。
三菱電機最新X系列HVIGBT模塊全系列最高運行結(jié)溫至150℃,通過優(yōu)化芯片終端設(shè)計和封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu),增強散熱性、防潮性和阻燃性,提高產(chǎn)品運行可靠性。共包含2類封裝,標(biāo)準(zhǔn)封裝HVIGBT如圖7,LV100/HV100封裝見圖8。
圖7:標(biāo)準(zhǔn)封裝HVIGBT
圖8:LV100/HV100封裝HVIGBT
DIPIPM?
1997年,三菱電機開發(fā)了壓注模封裝智能功率模塊DIPIPM?,如圖9和圖10所示,內(nèi)置驅(qū)動芯片,不但可以實現(xiàn)單電源驅(qū)動,而且集成了欠壓、過溫、過流等保護功能,降低了變流器的設(shè)計難度,同時提高了變流器的可靠性。
圖9:DIPIPM?框圖
圖10:DIPIPM?外觀
自第1代DIPIPM?誕生以來,伴隨著IGBT芯片一代代技術(shù)的發(fā)展和封裝技術(shù)的不斷改進,三菱電機也對DIPIPM?產(chǎn)品不斷進行升級換代,至今已發(fā)展至第7代DIPIPM?,封裝形式也發(fā)展到小型、超小型、SLIMDIP?、SOPIPM?和DIPIPM+?,不斷致力于為客戶提供更高能效、更高集成度、更智能化、更高功率密度和更高性價比的產(chǎn)品。
EV模塊
1997年,三菱電機就將電動汽車專用功率模塊成功用于HEV,積累了大批量生產(chǎn)和應(yīng)用的經(jīng)驗,截至2023年底,已有2900萬臺裝載了三菱電機功率芯片或功率模塊的電動汽車在路上運行。從第5代開始,三菱電機采用T-PM(Transfer-mold Power Module)壓注模封裝技術(shù),使用環(huán)氧樹脂灌封代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅凝膠灌封,提高了抗振性和模塊安裝方向的自由度。J1A系列IGBT模塊采用了DLB(Direct Lead Bonding)連接工藝,把銅端子(銅框架)綁定到芯片上,使芯片溫度分布更均勻,降低了最高溫度,從而改善功率循環(huán)壽命。
最新J3系列車載功率模塊,同樣采用高可靠、易批量生產(chǎn)的壓注模封裝,同一封裝兼容RC-IGBT和SiC MOSFET,支持高速開關(guān)和并聯(lián)應(yīng)用,將幫助客戶進一步提升電動汽車的功率密度和續(xù)航里程。J3-HEXA-S有三個J3-T-PM,J3-HEXA-L有六個J3-T-PM(圖11),兩者都配備專有的散熱片,以適應(yīng)xEV逆變器的不同功率段設(shè)計。
圖11:J3-T-PM、J3-HEXA-S、J3-HEXA-L
SiC模塊
三菱電機從1994年開始SiC相關(guān)技術(shù)研究,已經(jīng)擁有30年的經(jīng)驗。在1994年至2004年的第1個10年中,研發(fā)工作主要針對SiC MOSFET和SiC SBD等芯片技術(shù)本身。2005年至2009年,三菱電機將開發(fā)重點集中到了SiC功率模塊的應(yīng)用,為此,三菱電機設(shè)計并評測了多種應(yīng)用場合的基于SiC功率器件的逆變器。2010年至2014年,SiC功率模塊開始商業(yè)化,在此期間,三菱電機推出了多種類型的第1代全SiC功率模塊和混合SiC功率模塊。
目前,6英寸第2代平面柵SiC MOSFET穩(wěn)定量產(chǎn)中,第3代SBD嵌入式SiC MOSFET和第4代溝槽柵SiC MOSFET將逐步被采用。從600V到3300V,數(shù)十款SiC功率模塊已在家電、工業(yè)、新能源、汽車和牽引等領(lǐng)域獲得商業(yè)化應(yīng)用。新推出的3300V,200A/400A/800A Unifull?系列SiC MOSFET模塊(圖12)可顯著降低開關(guān)損耗并提高其性能。
圖12:Unifull? 3300V SiC MOSFET模塊
關(guān)于三菱電機
三菱電機創(chuàng)立于1921年,是全球知名的綜合性企業(yè)。截至2024年3月31日的財年,集團營收52579億日元(約合美元348億)。作為一家技術(shù)主導(dǎo)型企業(yè),三菱電機擁有多項專利技術(shù),并憑借強大的技術(shù)實力和良好的企業(yè)信譽在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動化、電子元器件、家電等市場占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場,三菱電機從事開發(fā)和生產(chǎn)半導(dǎo)體已有68年。其半導(dǎo)體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動汽車、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
文章來源:三菱電機半導(dǎo)體
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