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東芝功率半導體的進擊

日期:2021/9/17 11:01:39
摘要:談到東芝的半導體業務,大家首先想到的應該是東芝閃存。而這個業務早在2018年,就被東芝公司剝離出來,并以“鎧俠”的名字獨立運營。現在的東芝半導體,有一部分重要的業務,那就是功率電子產品。

談到東芝的半導體業務,大家首先想到的應該是東芝閃存。而這個業務早在2018年,就被東芝公司剝離出來,并以“鎧俠”的名字獨立運營。現在的東芝半導體,有一部分重要的業務,那就是功率電子產品。


功率半導體的市場規模(source:日經中文網)
近年來,因為碳排放的嚴格限制以及新能源汽車的興起,市場上對功率元器件的需求猛增。據英國調查公司Omdia的數據顯示,2020年世界功率半導體市場規模約合145億美元,預計到2024年將增至約173億美元,同比增長約19%。作為老牌的功率半導體供應商,東芝半導體自然不甘落后,這首先體現于他們在產能的布局上。

東芝電子元件(上海)有限公司分立器件戰略業務企劃統括部,分立器件應用技術部門高級經理屈興國
在日前接受半導體行業觀察采訪的時候,東芝電子元件(上海)有限公司分立器件戰略業務企劃統括部,分立器件應用技術部門高級經理屈興國告訴記者,東芝正在加大晶圓廠的投入,以推動公司的功率元器件生產從200mm晶圓向300mm晶圓演進。
據相關資料顯示,東芝將投資約250億日元,在石川工廠設立新的生產線,將其產能提高2成。需要特別強調的是,他們這個擴產將集中在300mm的晶圓上,這是與行業內大多友商是使用200mm晶圓做功率半導體的最不同之處。
在屈興國看來,公司之所以做出這樣的決定,這一方面與300mm晶圓能帶來成本的降低有關以外;另一方面,也與過去兩年八英寸晶圓缺貨現狀愈演愈烈,很多硅片廠也都已經把精力放在了300mm硅片的生產上面有關。
正是在這兩個因素的推動下,東芝做出了上述決定。而根據東芝在年初的說法,這個新產線初步規劃于2023年完成投產。
如果東芝擴產產線是基于他們對自己功率元器件的信心,那么公司所擁有的極具競爭力的產品就是他們的底氣。從屈興國的介紹中我們得知,目前東芝能提供多樣化的功率器件產品,當中最值得一提的就是他們的IEGT和SiC產品。
所謂IEGT,是Injection Enhanced Gate Transistor的簡稱,這是東芝在上世紀90年代的創造的一個名稱。按照屈興國的說法,IEGT實際上就是IGBT,東芝之所以選擇了一個不同于別家的名字來表達其IGBT產品,主要是因為公司在上世紀九十年代率先采用柵極注入增強技術以降低IGBT器件的靜態損耗,為此IEGT的名稱被東芝沿用至今。
屈興國進一步指出,除了名稱以外,東芝的IEGT在封裝上也有不同于別家的優勢。如下圖所示,東芝在IEGT模塊上可以采用業界常用的PMI模塊封裝。這是一種采用鋁碳化硅基板和高CTI的材質,具有更好的散熱效果和絕緣性,可以應用于軌道交通牽引等嚴苛環境需求的場景。
東芝PMI產品
此外,東芝IEGT模塊還采用了一種PPI的封裝,也就是所謂的Press Pack IEGT。據介紹,這是東芝率先商業化的獨立封裝IGBT器件,在內部采用電流、電壓均等分布的排列方式,裝有多個IEGT芯片。這樣的設計具有高可靠性、大功率密度和優異的防爆性能,方便接壓使用和方便器件串聯等優勢。
東芝PPI產品
屈興國還在介紹中指出,之所以這種PPI封裝的模塊擁有那么多優勢,這主要與其內部無引線健合(所以能夠實現高可靠性)、采用了雙面散熱壓接方式(因此能實現高散熱性)和采用陶瓷外殼封裝(防爆性能)的設計有關。這種獨特的設計也能幫助其實現更高的工作電流。
東芝PPI產品線
如下圖所示,為了方便開發者更快地將IEGT應用到公司的產品中,東芝聯合青銅劍、雅創推出了一個半橋模組的子單元參考設計,在這個設計中,他們還預留了水冷的接口,為開發者進一步降低整個設計的溫度提供了可能。
“這樣的設計讓我們的IEGT能夠在大功率的風電和工業驅動等市場受到青睞。在國內,IEGT則在電網的建設中發揮了重要的作用”,屈興國說。從他的介紹我們得知,國內正在推動的柔性直流輸電,在發送和接收兩端都會用到不少的IEGT模塊,這些模塊的存在能夠幫助電網實現更好的電力傳輸。
東芝PPI配套驅動器和壓接裝置
IEGT以外,SiC則是東芝另一個押注的方向。
據東芝介紹,與硅(Si)相比,碳化硅(SiC)是一種介電擊穿強度更大、飽和電子漂移速度更快且熱導率更高的半導體材料。因此,當用于半導體器件中時,碳化硅器件與硅器件相比可以提供高耐壓、高速開關和低導通電阻。鑒于該特性,其將成為有助于降低能耗和縮小系統尺寸的下一代低損耗器件。
基于這樣的考慮,東芝推出了SiC MOSFET、SiC二極管和SiC MOSFET模塊等產品。其中,東芝的1200V SiC MOSFET產品,可提供高速開關和低導通電阻,使其在高功率、高效率的工業電源、低損耗的太陽能逆變器和UPS產品中脫穎而出;而SiC MOSFET模塊具有高速開關性能,這是一種針對低損耗和小型化應用設計的新型材料,適用于工業電源轉換器,例如電力鐵路的逆變器和光伏逆變器;在SiC SBD方面,東芝則提供了額定電流為2A至10A的650V產品。
屈興國表示,東芝當前只有面向軌道交通的SiC產品,但也已計劃SiC在新能源汽車上的應用,在他看來,SiC在車載應用的需求正在迅速發展。“在東芝看來,功率半導體未來將會在車載和工控這兩個市場發揮重要的作用,這兩個市場也將是東芝半導體未來的發力方向”,屈興國最后說。 _ _

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