三菱電機(jī)功率器件發(fā)展史

三菱電機(jī)從事功率半導(dǎo)體開(kāi)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(jī)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(jī)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(jìn)科技發(fā)展、社會(huì)進(jìn)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(jī)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(jī)成功的關(guān)鍵。三菱電機(jī)功率器件發(fā)展史如下圖所示。

圖：三菱電機(jī)功率器件發(fā)展史

20世紀(jì)60年代，三菱電機(jī)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(jìn)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(méi)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(guò)向柵極施加負(fù)壓信號(hào)，使其從開(kāi)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(shí)現(xiàn)了高速運(yùn)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(guò)集成經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動(dòng)器，充分發(fā)揮GCT晶閘管的性能，同時(shí)有助于降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度。

20世紀(jì)80年代，三菱電機(jī)開(kāi)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(kāi)關(guān)、電壓型驅(qū)動(dòng)和低損耗等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快和BJT通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點(diǎn)，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。

三菱電機(jī)IGBT芯片發(fā)展史如圖所示，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(chǔ)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(jìn)一步的降低。

圖：IGBT芯片發(fā)展路線圖

第7代IGBT模塊結(jié)構(gòu)如圖所示，采用了直接環(huán)氧灌封（Direct Potting）樹(shù)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(kāi)發(fā)的工業(yè)LV100封裝IGBT，涵蓋多個(gè)電壓等級(jí)（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(jī)驅(qū)動(dòng)等多個(gè)場(chǎng)合。

圖：7th IGBT新型結(jié)構(gòu)

三菱電機(jī)于1989年創(chuàng)造性地提出了智能功率模塊IPM（Intelligent Power Module）的概念。如圖所示，逆變電路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)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(kāi)發(fā)時(shí)間。

圖：IPM內(nèi)部框圖

最新G1系列IPM如圖，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(shí)現(xiàn)極低損耗。除了傳統(tǒng)IPM的控制電源欠壓保護(hù)UV（Under Voltage protection）、短路保護(hù)SC（Short Circuit）和過(guò)熱保護(hù)OT（Over Temperature）外，G1系列還增加了開(kāi)關(guān)速度切換和故障識(shí)別功能，有助于提高逆變器設(shè)備的性能和可靠性。

1996年，三菱電機(jī)HVIGBT開(kāi)始推向市場(chǎng)，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(guò)不斷地優(yōu)化改進(jìn)，三菱電機(jī)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(jí)不斷擴(kuò)大。

三菱電機(jī)最新X系列HVIGBT模塊全系列最高運(yùn)行結(jié)溫至150℃，通過(guò)優(yōu)化芯片終端設(shè)計(jì)和封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)散熱性、防潮性和阻燃性，提高產(chǎn)品運(yùn)行可靠性。共包含2類封裝，標(biāo)準(zhǔn)封裝HVIGBT如圖，LV100/HV100封裝見(jiàn)圖。

1997年，三菱電機(jī)開(kāi)發(fā)了壓注模封裝智能功率模塊DIPIPM，如圖所示，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)芯片，不但可以實(shí)現(xiàn)單電源驅(qū)動(dòng)，而且集成了欠壓、過(guò)溫、過(guò)流等保護(hù)功能，降低了變流器的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)提高了變流器的可靠性。

圖：DIPIPM框圖

自第1代DIPIPM誕生以來(lái)，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(jìn)，三菱電機(jī)也對(duì)DIPIPM產(chǎn)品不斷進(jìn)行升級(jí)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(jià)比的產(chǎn)品。

1997年，三菱電機(jī)就將電動(dòng)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(yàn)，截至2023年底，已有2900萬(wàn)臺(tái)裝載了三菱電機(jī)功率芯片或功率模塊的電動(dòng)汽車在路上運(yùn)行。從第5代開(kāi)始，三菱電機(jī)采用T-PM（Transfer-mold Power Module）壓注模封裝技術(shù)，使用環(huán)氧樹(shù)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(kāi)關(guān)和并聯(lián)應(yīng)用，將幫助客戶進(jìn)一步提升電動(dòng)汽車的功率密度和續(xù)航里程。J3-HEXA-S有三個(gè)J3-T-PM，J3-HEXA-L有六個(gè)J3-T-PM，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(jì)。

三菱電機(jī)從1994年開(kāi)始SiC相關(guān)技術(shù)研究，已經(jīng)擁有30年的經(jīng)驗(yàn)。在1994年至2004年的第1個(gè)10年中，研發(fā)工作主要針對(duì)SiC MOSFET和SiC SBD等芯片技術(shù)本身。2005年至2009年，三菱電機(jī)將開(kāi)發(fā)重點(diǎn)集中到了SiC功率模塊的應(yīng)用，為此，三菱電機(jī)設(shè)計(jì)并評(píng)測(cè)了多種應(yīng)用場(chǎng)合的基于SiC功率器件的逆變器。2010年至2014年，SiC功率模塊開(kāi)始商業(yè)化，在此期間，三菱電機(jī)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模塊可顯著降低開(kāi)關(guān)損耗并提高其性能。

<關(guān)于三菱電機(jī)>

三菱電機(jī)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(cái)年，集團(tuán)營(yíng)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(jī)擁有多項(xiàng)專利技術(shù)，并憑借強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和良好的企業(yè)信譽(yù)在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化、電子元器件、家電等市場(chǎng)占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場(chǎng)，三菱電機(jī)從事開(kāi)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(dòng)汽車、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無(wú)線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。