东芝IGBT和SiC的进击

自将闪存业务剥离出铠侠以后，东芝在半导体方面的声音似乎越来越微弱。但其实作为一家老牌半导体厂商，东芝近年来依然还是在稳步发展。例如在功率半导体方面，东芝过去几十年来一直为各类市场（主要为汽车和工业市场）提供硅功率元件。
 
进入近年，公司已然打造出了一条不同于其他厂商的功率半导体进击之路。
 
该公司CEO Taro Shimada在去年年底接受媒体采访的时候就曾直言：“短期内，扩大功率半导体的销售是东芝应该做的第一件事。我们希望尽早提高产能。”事实上，这也正是东芝半导体近年来专注的方向。2023年12月，东芝半导体宣布与芯片制造商罗姆将合作生产功率半导体，此举旨在扩大规模，增强竞争能力；2024年5月，东芝新的300 mm功率半导体晶圆制造工厂竣工。


 
在早前的PCIM Aisa 2024展会现场，半导体行业观察更是有幸与东芝电子元件（上海）有限公司技术部副总监屈兴国交流，听他分享这家日本半导体老牌巨头在功率半导体方面的布局与优势。
 
IEGT的再接再厉
 
谈到东芝半导体在功率器件实力，首要提到的必须是硅器件。如上文所说，作为一个已经面世数十年的材料，东芝半导体在这上面有着深厚的积累。其中，IEGT（Injection-Enhanced Gate Transistor）是不得不提的一个代表性产品。
 
据屈兴国介绍，该产品可以看成是一种增强型的IGBT。这个IEGT的名字也是在公司于1993年为基于注入增强（Injection Enhanced）结构的IGBT申请专利时所得。据了解，一般在高压IGBT中，由于发射极侧的漂移层（n型层）的载流子浓度较低，因此难以获得低V _CE（sat）特性。IEGT 的开发是为了在高耐受电压（通常为 1200 V 或更高）下获得低 V _{CE (sat)} 性能。
 


IEGT的结构与载流子密度
 
“和其他IGBT厂商在模块内部一般采用绑定线连接方式不同，东芝的IEGT采用了双面压接芯片的方式，无bonding线连接的PPI压接式封装设计。”在问到IEGT的更多不同之处时，屈兴国如是说。
 
如图所示，东芝的IEGT器件内部采用电流、电压均等分布的排列方式，装有多颗IEGT 芯片。由于其内部芯片无引线键合的设计，使其能实现高可靠性；可双面散热压接方式则能实现高散热性；此外，陶瓷外壳封装的防爆结构设计也让这个器件受益匪浅。
 
得益于这样的设计，东芝IEGT能够便利开发者将多颗器件串联应用。值得一提的是，这样的设计使得器件具备短路失效模式，从而在串联应用遇到任何一个器件失效时，可以像串联一个电阻那样在系统中，而不影响整个设备继续工作。
 
 


屈兴国告诉半导体行业观察，正因为IEGT拥有如此多的优势，所以它能够为柔直输配电作出重要的贡献。据介绍，在此次展会现场，东芝半导体带来了覆盖了不同电压和电流等级，可以满足不同客户需求的ST1000GXH35和ST1500GXH35A等产品展示。
 


 
为了满足更多样化的要求，东芝还与第三方开发了压接组件方案。如图所示，该方案采用了两颗ST2000GXH32（4.5 kV／2 KA／内置二极管的压接式封装）IEGT，适用于新客户进行双脉冲测试，以便他们能够快速了解东芝器件的性能，从而缩短开发周期，具备高可靠性和高效率。
 

 
众所周知，压接式IGBT市场需求的增长，东芝对这类产品的未来有着更高的期望。
 
SiC的强势出击
 
和IGBT一样，近年来被高度看好的SiC也陷入了内卷苦战。但东芝凭借其在功率器件方面积累的经验，叠加差异化布局和创新，公司展望在这个领域再创佳绩。
 
屈兴国表示，在碳化硅方面，东芝专注的是电压范围在1200V到3300V的模块产品，这是很多竞争对手没能做到的电压范围。在此次展会上了，东芝展出了已经量产的全系列碳化硅MOS模块，涵盖1200 V、1700 V、2200 V、3300 V电压，具备低杂散电感、低热阻、高可靠性等特点。
 
据介绍，东芝在本次展会上带来的“MG800FXF1ZMS3”和“MG800FZF1JMS3”，就采用了公司第三代SiC MOSFET和SBD芯片，通过银烧结内部键合技术和iXPLV封装，有助于减少设备的功率损耗和减小冷却设备的尺寸。其中，在碳化硅MOSFET芯片上集成碳化硅二极管（SBD）的这个设计在带来了极大利好的同时，再次体现了东芝的创新。
 


针对中国客户的需求，东芝也调整了SiC产品供应战略——从之前的只提供模块到同时碳化硅单管。这也和很多同行友商从单管再到模块的布局有所不同。
 
“内置SBD、低损耗、易设计是东芝碳化硅MOSFET的代名词，可应用于充电桩、数据中心、新能源光储、马达等领域。主要特点包括：低二极管导通电压、低Ron×Qgd、VGS控制范围宽(驱动易设计)。”东芝总结说。
 
在展会现场，东芝还带来了碳化硅的应用案例：SiC MOSFET的3相逆变器。其采用1200 V SiC MOSFET，为18 kW电机提供强大驱动，适用于工业设备等应用。在仅250 mm×145 mm的精巧电路板上，巧妙整合了SiC MOSFET、光电耦合器和运算放大器等关键元件，实现节能降耗。
 



如屈兴国所说，自特斯拉在Model 3上率先采用了SiC以来，电动汽车依然是SiC最大的应用市场。包括光伏、储能和充电等行业的SiC用量相对很少。因此，SiC想要取得大发展，那就必须紧盯电动汽车这个市场。
 
不过，他同时也承认，在400V的情况下，车厂还有更多的器件选择。但如果到了800V，汽车厂商就必须得拥抱SiC，而为了更多的冗余，就必须要上到1200V的器件。等到这个市场正式普及的时候，SiC就迎来了爆发，进而给东芝这样专注于高压SiC的厂商带来巨大的机会。
 
“除了给客户提供器件以外，我们还希望通过与车厂合作的方式，给车厂提供SiC晶圆。以这种方式来满足客户多样化的需求”，屈兴国说。在他看来，在SiC市场，东芝必然能引领客户走向一条更快速的成功之道。
 
“这所有的一切，都在稳步推进中。”屈兴国表示。