[原创] 东芝功率半导体的进击
2021-09-16
14:00:24
来源: 半导体行业观察
谈到东芝的半导体业务，大家首先想到的应该是东芝闪存。而这个业务早在2018年，就被东芝公司剥离出来，并以“铠侠”的名字独立运营。现在的东芝半导体，有一部分重要的业务，那就是功率电子产品。
近年来，因为碳排放的严格限制以及新能源汽车的兴起，市场上对功率元器件的需求猛增。据英国调查公司Omdia的数据显示，2020年世界功率半导体市场规模约合145亿美元，预计到2024年将增至约173亿美元，同比增长约19％。作为老牌的功率半导体供应商，东芝半导体自然不甘落后，这首先体现于他们在产能的布局上。
东芝电子元件（上海）有限公司分立器件战略业务企划统括部，分立器件应用技术部门高级经理屈兴国
在日前接受半导体行业观察采访的时候，东芝电子元件（上海）有限公司分立器件战略业务企划统括部，分立器件应用技术部门高级经理屈兴国告诉记者，东芝正在加大晶圆厂的投入，以推动公司的功率元器件生产从200mm晶圆向300mm晶圆演进。
据相关资料显示，东芝将投资约250亿日元，在石川工厂设立新的生产线，将其产能提高2成。需要特别强调的是，他们这个扩产将集中在300mm的晶圆上，这是与行业内大多友商是使用200mm晶圆做功率半导体的最不同之处。
在屈兴国看来，公司之所以做出这样的决定，这一方面与300mm晶圆能带来成本的降低有关以外；另一方面，也与过去两年八英寸晶圆缺货现状愈演愈烈，很多硅片厂也都已经把精力放在了300mm硅片的生产上面有关。
正是在这两个因素的推动下，东芝做出了上述决定。而根据东芝在年初的说法，这个新产线初步规划于2023年完成投产。
如果东芝扩产产线是基于他们对自己功率元器件的信心，那么公司所拥有的极具竞争力的产品就是他们的底气。从屈兴国的介绍中我们得知，目前东芝能提供多样化的功率器件产品，当中最值得一提的就是他们的IEGT和SiC产品。
所谓IEGT，是Injection Enhanced Gate Transistor的简称，这是东芝在上世纪90年代的创造的一个名称。按照屈兴国的说法，IEGT实际上就是IGBT，东芝之所以选择了一个不同于别家的名字来表达其IGBT产品，主要是因为公司在上世纪九十年代率先采用栅极注入增强技术以降低IGBT器件的静态损耗，为此IEGT的名称被东芝沿用至今。
屈兴国进一步指出，除了名称以外，东芝的IEGT在封装上也有不同于别家的优势。如下图所示，东芝在IEGT模块上可以采用业界常用的PMI模块封装。这是一种采用铝碳化硅基板和高CTI的材质，具有更好的散热效果和绝缘性，可以应用于轨道交通牵引等严苛环境需求的场景。
此外，东芝IEGT模块还采用了一种PPI的封装，也就是所谓的Press Pack IEGT。据介绍，这是东芝率先商业化的独立封装IGBT器件，在内部采用电流、电压均等分布的排列方式，装有多个IEGT芯片。这样的设计具有高可靠性、大功率密度和优异的防爆性能，方便接压使用和方便器件串联等优势。
屈兴国还在介绍中指出，之所以这种PPI封装的模块拥有那么多优势，这主要与其内部无引线健合（所以能够实现高可靠性）、采用了双面散热压接方式（因此能实现高散热性）和采用陶瓷外壳封装（防爆性能）的设计有关。这种独特的设计也能帮助其实现更高的工作电流。
如下图所示，为了方便开发者更快地将IEGT应用到公司的产品中，东芝联合青铜剑、雅创推出了一个半桥模组的子单元参考设计，在这个设计中，他们还预留了水冷的接口，为开发者进一步降低整个设计的温度提供了可能。
“这样的设计让我们的IEGT能够在大功率的风电和工业驱动等市场受到青睐。在国内，IEGT则在电网的建设中发挥了重要的作用”，屈兴国说。从他的介绍我们得知，国内正在推动的柔性直流输电，在发送和接收两端都会用到不少的IEGT模块，这些模块的存在能够帮助电网实现更好的电力传输。
据东芝介绍，与硅（Si）相比，碳化硅（SiC）是一种介电击穿强度更大、饱和电子漂移速度更快且热导率更高的半导体材料。因此，当用于半导体器件中时，碳化硅器件与硅器件相比可以提供高耐压、高速开关和低导通电阻。鉴于该特性，其将成为有助于降低能耗和缩小系统尺寸的下一代低损耗器件。
基于这样的考虑，东芝推出了SiC MOSFET、SiC二极管和SiC MOSFET模块等产品。其中，东芝的1200V SiC MOSFET产品，可提供高速开关和低导通电阻，使其在高功率、高效率的工业电源、低损耗的太阳能逆变器和UPS产品中脱颖而出；而SiC MOSFET模块具有高速开关性能，这是一种针对低损耗和小型化应用设计的新型材料，适用于工业电源转换器，例如电力铁路的逆变器和光伏逆变器；在SiC SBD方面，东芝则提供了额定电流为2A至10A的650V产品。
屈兴国表示，东芝当前只有面向轨道交通的SiC产品，但也已计划SiC在新能源汽车上的应用，在他看来，SiC在车载应用的需求正在迅速发展。“在东芝看来，功率半导体未来将会在车载和工控这两个市场发挥重要的作用，这两个市场也将是东芝半导体未来的发力方向”，屈兴国最后说。
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