三菱电机功率器件的技术和产品趋势

在对环境的投入已成社会必然要求的背景下，可有效利用资源和能源的电力电子技术主角 — 功率器件的作用，也就显得尤为重要。　　我们三菱电机以“低损耗”和“小型化”功率器件的命题为基础，时刻听取大家的意见；迄今为止，以引领变频器产品市场的智能功率模块为首，已制造出众多产品。　　今后，为了各领域中欲创造高附加价值产品的企业客户，将更进一步致力于功率器件的高功能化。不仅着眼于提高基本功能和开发新功能，还将致力于可提高开发设计及生产效率的集成技术、合乎客户需求的高性价比封装技术等方面的技术钻研。　　我们将充分发挥积累至今的综合性技术以及技术人员的精神，通过为企业客户创造有用的产品，掀起电力电子技术世界的新潮流，一如既往地致力于功率器件的开发，为建设未来环保型社会做贡献。　　在数百Hz〜数十kHz的领域中，三菱电机以IGBT元件为主要器件，开发和生产了可适用于电气化铁道、工业、汽车、医疗设备、消费电子等众多领域的各种功率模块。在此，向大家介绍这一领域中的产品和技术趋势。首先从功能方面来讲，从系统结构中搭载多个分立半导体的器件初期开始，为提高其便利性，就已开发了内置主电路排线的IGBT模块。然后，通过集成驱动功能及保护功能，诞生了具备更高功能的智能功率模块（IPM）。　　IPM产品通过内置周边电路，可缩短客户的开发、设计时间，有利于减少生产线上的装配工序数及设备小型化。最近，除工业用途外，在家电产品中也得到了广泛的应用。而且，为有利于今后提高整体系统的效率，将继续推进周边零部件的集成化及系统控制、系统保护功能、以及含信息通信功能等在内的高功能化。　　１：封装的发展　　封装在由分立式转化为盒式的进程中，现已出现了通用封装概念的NX系列，和用于电气化铁道等的大容量、高绝缘型。而且，还开发出可适用于半导体IC封装技术的压注模封装，以DIPIPM™ 产品群为代表，以消费电子为中心不断推广发展。　　１－１：可灵活应对客户需求、实现高性价比的NX系列　　被称为新一代盒式封装的NX系列，其封装概念为利用基本零件的通用化和装配流程的灵活性，灵活应对客户需求，提高性价比。对盒体、底板、管脚、端子和盒盖等基本零部件进行通用化的同时，通过装配过程中改变管脚配置、主端子安装位置等方式，可满足各客户需求。１－２：进化的IPM和DIPIPM™　　在IPM中，将驱动电路内置于IGBT，并将温度保护、控制电压的欠压保护、短路时的保护功能等一体化。现在的L系列，在此基础上增加了EMI噪声对策的栅极调整电路，还内置了各电流频段中的噪声减少功能。压注模封装的产品 DIPIPM™ ，应用IC的制作方法，实现全硅化，提高了生产效率。目前，正在推进往其中的控制IC里载入更多功能的技术开发。DIPIPM™ 的封装，是在引线框上安装芯片，以往都是用树脂进行模塑。但用此模塑树脂进行散热和绝缘时，根据树脂特性需要达到一定的厚度，难以实现低热阻。因此，从DIPIPM™ 第4代的新系列起，开发导入了绝缘片，确保其高绝缘性的同时，又使其拥有良好的热阻特性。产品本身也变得非常小巧。与之相反，若相比小型化，更追求与以往尺寸一致的情况下，可在同等封装下控制更大电流。在初期的大型产品中，我们推出了600V/15A型产品。通过改善热阻和损耗，额定电流增加到了50A，最近连75A也在可控范围内了。　　同等产品（封装尺寸）中获取更多电流。反之，使必需电流实现更小封装/产品的技术，已成为达到系统小型化及系统高电流密度的关键之一。２：第６代IGBT芯片开发　　２－１：功率损耗和FOM上所见的功率芯片性能　　功率模块共同点课题就是“低损耗”和“小型化”。迈向新一代继续发展高功能化、高性能化，也是以解决这些课题为大前提来考虑的。因此需要开发出性能更优越功率芯片。　　首先看看搭载于功率模块中的功率芯片与系统功率损耗的关系。从80年开始，通过替换为使用双极晶体管的第１代IGBT，就已产生了约30％的改善效果。其后从第１代更新到第３代，改善了约40％，切实降低了功率损耗，而目前的第５代为第1代的1/3〜1/4。这些损耗降低有利于实际应用中节省电力，尤其在室内空调等变频家电产品达到了令人惊叹的省电效果。下面，介绍一下测量功率芯片性能的Figure Of Merit（FOM）。以通态压降和开关损耗的乘积除以导通功率芯片的电流密度即为FOM。通态压降表示导通时的损耗，而切断功率损耗是以开关损耗为基准的特性值。这里再加上可确定通电能力的电流密度，这三个特性值即可形成FOM。　从FOM来看，IGBT第１代到第３代，性能提高了约4倍。现在的第５代比第1代性能提高了约10倍。今后的第６代当然要比第5代更低损耗，以性能指标提高约30％为目标推进开发。　　２－２：结构技术的进化实现低损耗　　集电极到发射极的所经路线，可用若干电阻元件分解表示。初期产品平面型IGBT有JFET电阻元件。为改善这一问题，从第４代起导入沟槽结构，消除了 JFET电阻元件，降低了功率损耗。而第５代，更设计了可减小体电阻的载流子蓄积层，力求降低损耗。在第６代，我们继续追求从结构上也降低损耗。２－３：利用划时代的独创技术，推进开发第６代功率芯片　　目前在第５代IGBT芯片上，开发并采用了降低损耗效果极佳的CSTBT™ 结构。现在第６代IGBT芯片的开发也采用了CSTBT™ 结构。　　第６代IGBT芯片开发的核心技术有以下两点。改善短路耐量的结构技术 ––“杂质浓度分布曲线的优化”，和降低通态压降、扩大电流通道的“晶圆微细加工”。　　IGBT芯片中安装的晶体单元数量决定电流导通顺畅程度，因此如何缩短沟槽间隔，将更多的晶体单元安装到IGBT芯片中，就成为关键。从模拟结果发现，若将沟槽间隔从目前的间距4µm压缩到2.5µm时，功率损耗的基准导通电阻可降低约20〜30％。２－４：优化减少阈值电压偏差的浓度分布曲线　　采用这项技术，可以降低导通阻抗，但其弊端是导致安全工作区 （SOA） 变窄。为抑制这一弊端，确立了“优化浓度分布曲线”的技术。　　栅极阈值电压是决定短路耐量和安全工作区SOA的一项指标。阈值电压低时，虽可获得电流，但短路耐量会变短。反之，阈值电压高时，短路耐量加强，但无法获得电流。也就是说，以阈值电压为参数，电流容量和短路耐量存在背反关系。为改善此背反关系，确立了“优化浓度分布曲线”的技术。　　CSTBT™ 结构在构造上，虽有生产流程偏差容易影响阈值电压等特性的问题，但第６代IGBT芯片利用高能离子注入技术优化浓度分布曲线，从结构上改善了生产流程偏差的影响。减少阈值电压偏差可使SOA的设计更有余地。故可通过微细加工力求低损耗，还可确保SOA。与第５代整体比较，通态压降减小，偏差减半，从原来的±1V变成±0.5V。　　在保持一般能力的同时，也确保了短路耐量和SOA，从整体上大幅度改善了权衡关系。　　２－５：与IGBT芯片共同发展的二极管技术开发　　这些IGBT芯片从第５代到第６代发展的同时，二极管的技术开发也与时俱进。目标就是通过使VF温度系数为正，及背面阴极部分厚度变薄，以降低通态压降。　通过晶圆薄型化和优化杂质浓度，使交点（Tj=125℃的正向电压（VF）-正向电流（IF）曲线和Tj=25℃的VF-IF曲线相交叉的电流值）略低于额定电流，二极管超负荷使用时，利用正温度系数消除电流集中。以此概念为基础，达到低VF化和正温度系数。　　二极管还有一个很大的问题，即反向恢复工作时会引起电压振荡，成为噪声源。二极管的特性决定在低温、高压、低电流的情况下，使之反向恢复工作时，会产生电压振荡。但与第６代IGBT芯片组合使用的二极管器件，通过优化浓度，可抑制电压振荡。

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