9月即将量产，东芝纯碳化硅产品提上日程

2021年9月9日-11日，PCIM Asia 2021在深圳国际会展中心举办。作为德国顶尖专业电力电子展会PCIM Europe的姐妹展，自2002年在中国首办以来，PCIM Asia一直受到亚洲电力电子及相关应用从业者的关注。5WIesmc

在近日的PCIM Aisa 2021展上，《国际电子商情》记者专访了东芝电子元件（上海）有限公司分立器件应用技术部门高级经理屈兴国，一起交流了东芝的IEGT大功率器件、IEGT压接模组子单元、碳化硅混合模块、碳化硅MOS模块、智能功率器件以及其它分立器件产品，此外还讨论了东芝纯碳化硅的开发路线，据了解，东芝最快将于今年9月量产纯碳化硅产品。5WIesmc

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图1 主推压接式封装IEGT器件5WIesmc

20世纪90年代末，东芝基于注入增强的技术注册了专用名称IEGT（栅极注入增强型晶体管），可以把它理解为东芝特制的IGBT。东芝的IEGT有两种的封装方式，一种是PPI压接式封装，另一种是PMI模块封装。5WIesmc

其中，PPI压接式通过上下铜板和钼片，直接把芯片压接在内部，芯片内部无引线键合。这种方式可做到双面散热，比单面散热的传统封装方式可靠性更高。以采用压接式封装的东芝3300V和4500V电压的IEGT为例，目前已经有多代量产产品，如：产品型号后缀为24、24A、28的是老一代产品，Tj（结温）为125℃；产品型号后缀为31A、32的是新一代产品，Tj为150℃。5WIesmc

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图2 东芝85mm、125mm台面直径的PPI压接式封装IEGT模块（红圈里的金色圆柱体是弹簧，它是连接IGBT芯片的门极，汇总后引至侧面端口。该器件里面有多颗小晶圆，所有的门极通过该弹簧连接到PCB板上，汇总后通过旁边的端口引出，用于整个器件的门极控制。在外部来看，该器件就是一个门极控制，但实际上它的内部有42颗IGBT芯片。）5WIesmc

PPI压接式封装的IEGT可以说是东芝首创，第一代压接式产品内部采用晶闸管晶圆。在2000年以后，东芝停止了晶闸管的产品，改用IEGT芯片来生产PPI压接式IEGT，目前东芝主要有台面直径为85mm和125mm的压接式IEGT产品。5WIesmc

大功率IEGT器件的最终应用，是需要将器件压接组装成模组，才能被客户使用。为了能让客户更便捷地了解和使用器件，东芝和第三方公司合作。这次展出的IEGT压接模组子单元，是东芝与雅创、青铜剑三方合作的产品。5WIesmc

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图3 东芝、雅创、青铜剑三方合作开发的IEGT压接模组子单元（该方案是两电平半桥拓扑、采用4.5kV 3kA压接式IEGT，可用于海上风电等大功率设备的变流器中。）5WIesmc

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图4 青铜剑1QP0650V45-Q（采用青铜剑ASIC芯片组结合CPLDD芯片设计组成，针对4500V以下压接封装IGBT／IEGT定制开发而成，是一款适配单管模块的驱动方案。）5WIesmc

屈兴国强调，与青铜剑的合作能助力新客户快速测试东芝的IEGT产品。一般情况下，厂家要了解一个器件，会先测试单颗器件的性能，若性能达标则再设计相应的产品。而与青铜剑的合作可为客户省去测试和组装的时间。5WIesmc

在他看来，东芝与生态伙伴的合作相当于资源共享。“当客户需求时，东芝找生态伙伴来做推广，共同推出符合客户需求的产品。这类合作是定制化的，因每一家客户的要求不一样，相应的产品设计会有差异化，最终出来的装置也不一样，不过东芝提供的器件是一样的。”5WIesmc

实际上，除了雅创和青铜剑之外，东芝近年来一直在尝试功率器件本土化。屈兴国透露，早在2018年，东芝就已经在国内寻找意向客户，现在正与国内一家大公司在谈IEGT产品上的合作。“国产化是大趋势，前几年开始，东芝就在推广芯片的业务，也重视中国国产化的趋势。”5WIesmc

据悉，目前东芝所有的芯片都在日本国内生产，后道的封装主要分散在日本、马来西亚、泰国、中国。5WIesmc

近期马来西亚疫情反扑，对许多半导体厂商的产能造成了影响，东芝在马来西亚也有封装厂，其产能是否也有受到影响？对此问题，屈兴国表态称，其实不止东芝一家，相信其他在马来西亚设厂的半导体厂商的产能均有受影响。5WIesmc

性价比更高的碳化硅混合模块

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图5 SiC混合模块5WIesmc

值得注意的是，东芝也展出了其SiC混合模块，该混合模块是介于硅和碳化硅之间的产品，可称之为混合型的IGBT。该器件采用PMI封装方式，内部的IGBT（IEGT芯片）采用硅材料，但是二极管部分采用碳化硅材料（SiC-SBD芯片）。5WIesmc

屈兴国解释说，有一些应用场景对二极管要求比较高，由于碳化硅二极管的反向恢复时间比较短，其损耗可减少97%，所以采用碳化硅二极管，会让器件散热损耗更低。所以东芝就制作了这种混合型的器件，可帮助机车变流器缩小40%以上的体积。东芝当前SiC SBD混合模块的产品阵容有1700V／1200A（封装尺寸130mm140mm）以及3300V／1500A（140mm190mm）两种。5WIesmc

“SiC混合模块在日本的机车变流器上应用得比较多，在国内机车变流器上还有较大的成长空间。目前，国内机车变流器主要采用硅IGBT器件，或者预研项目尝试纯碳化硅器件。目前碳化硅良品率还很低，相比之下SiC混合模块的性价比更高。”5WIesmc

举一个通俗的例子：如果硅材料IGBT的价格为1，同样电流、电压等级的碳化硅器件报价可能是7或8。有很多厂商表态，当碳化硅的价格在3-5时，他们就可以尝试接受。SiC混合模块作为中间产品，它现在的价格大约为2-3。相对而言，SiC混合模块具备一定的性价比优势。5WIesmc

据屈兴国介绍，东芝SiC混合模块当前面临的挑战是——除了成本，国内机车客户的消费习惯问题，现在大家的目光更聚焦在纯碳化硅上。5WIesmc

东芝纯碳化硅器件正逐步量产

在新能源汽车上的碳化硅应用，东芝也有自己的观点。屈兴国表示，根据电池电压的不同，主要可分为300V-400V以及800V这两大类。其中，普通的乘用车采用300V-400V的电池，主要使用650V或750V的IGBT，这会是硅的主流市场；而大巴车或要求更高的车采用800V的电池，则需要用到1200V的功率器件，这将会是碳化硅的主流市场。5WIesmc

东芝的纯碳化硅产品还属于工控产品，目前暂无车载碳化硅产品，不过已经计划车规级纯碳化硅器件。5WIesmc

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图6 东芝纯碳化硅开发路线图5WIesmc

东芝此次也带来了纯碳化硅MOS管的最新研发消息，据了解碳化硅MOSFET模块1200V／600A双管、1700V／400A双管、3300V／800A双管产品均在开发中，根据规划3300V／800A双管系列产品在今年5月已经有商业样品，并将于今年9月-10月进入量产阶段，首批客户是日本国内的电力机车客户；1700V／400A双管产品将会第二个发布，主要应用于风电、太阳能等新能源领域；另外，1200V／600A双管产品也大致与1700V／400A双管同期发布，将主要应用于新能源汽车的充电桩。5WIesmc

其他亮点展品

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图7 东芝车载分立器件（下面金色裸片是750V／400A的IGBT芯片，主要于新能源车，目前东芝正在向国内模块厂家做推广）5WIesmc

屈兴国还介绍了应用在汽车领域的分立器件，包括光耦、车用IGBT等产品。东芝在光耦市场已经耕耘了多年，是当前为数不多的具有车规光耦的厂家。5WIesmc

此外，东芝还带来了应用在小电流场景中的IPD产品。这些产品的电流最大为5A，最小为0.7A，主要应用于200W以下直流无刷马达的家电产品，比如空调的室内风机和室外风机。5WIesmc

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图8 由雅创公司提供的水冷散热系统（可用于东芝IEGT功率器件应用的散热）5WIesmc

东芝的合作伙伴雅创制作了一款水冷散热系统，该系统主要用于新能源充电桩。屈兴国解释说：“现在很多充电桩是快充，当电流大了以后，充电线上会发热，该散热系统采用去油或离子水作为介质，可带走充电线上的发热。”据了解，雅创水冷散热系统，可用于东芝IEGT器件应用的散热。5WIesmc

明年将会有哪些新展品？

大功率半导体器件不是每年都有全新产品推出，就算有新品也只是外封装一样、内部性能有一些提升。比如，东芝的一代和二代纯碳化硅器件，在外形上看起来一样，但在芯片上做了升级。屈兴国相信，明年东芝将会展出碳化硅量产产品。另外，在750V产品上会有更多的产品（现在是750V／400A）。5WIesmc