▋投资和研发重点转向SiC

据三菱电机半导体大中国区总经理赤田智史介绍，在功率器件战略投资计划中，三菱电机将之前的投资计划增加一倍（大约260亿日元），建设一座新的8英寸SiC晶圆工厂，从而推动功率器件的增长战略，这将有助于在2030年SiC模块的销售比例高于30%。

三菱电机目前的第二代产品采用4H-SiC衬底技术，到2025年将累计投资会增加20亿美元，重点研发沟槽栅MOSFET技术和高压SiC基MOSFET技术，同时扩大产能。

他表示：“在晶圆技术方面，三菱将集中精力开发8英寸SiC芯片和12英寸Si芯片。力图以高附加值产品和比同业竞争对手更高规格的产品赢得市场。”

下一代车用功率模块的开发重点是1300V和750V两个电压等级，750V面向400V低压电池平台，1300V面向800V高压电池平台，前者采用RC-IGBT芯片，后者采用SiC MOSFET芯片。而自主开发的压注模工具将有助于保证下一代模块的可靠性，同时大大提高生产效率。

关于其他宽禁带半导体材料，三菱电机功率器件制作所高级技术顾问近藤晴房表示：“SiC模块导入已经有十年以上的时间，现在是导入新型的宽禁带材料的窗口期。”若干年前三菱已经展开了氧化镓技术的研究。前不久，三菱电机宣布投资Novel Crystal Technology，将把多年培育的低功率损耗、高可靠性功率半导体产品设计和制造技术与后者的氧化镓晶圆制造技术相结合，以实现优异的能源效率，加速氧化镓的功率半导体的研究开发及使用。

可以看到，在发展SiC技术的同时，硅IGBT也没有偏废。

▋跨入功率电子新时代

从功率器件技术的演进来看，功率电子应用已进入新的时代，涵盖发电、输电和配电到电气应用三个方面，具体应用涉及人们日常生活的方方面面。

以三菱电机为例，其功率器件包括几大类：实现家用电器和低容量逆变器单控电源和无光耦系统的模块DIPIPM™；交流伺服机器人和光伏发电用内置控制和保护电路的模块IPM；实现高性能和高可靠性的HEV/EV推进逆变器电源模块；实现高电压、大容量、高可靠性的牵引和输电应用的HVIGBT和SiC模块；覆盖通用到高速开关的晶闸管和堆叠的大功率器件；通过3V微控制器的输出直接操作，有助于缩小或减轻应用重量的晶体管阵列；以及可以通过微控制器直接控制栅极驱动的HVIC。

世界半导体的发展经历了三个阶段：晶闸管与晶体管阶段，现在是IGBT阶段，未来将是宽禁带半导体阶段，重点是SiC二极管和SiC-MOSFET等，现在我们正处于第三阶段迅猛发展的时期。而12英寸IGBT和8英寸SiC是行业重点要发展的技术，包括沟槽SiC MOSFET、满足日益增长需求的12英寸IGBT和8英寸SiC晶圆。

SiC的研发历史大致分为五个阶段：1994-2004年的基础技术研发阶段；2005-2009年的SiC技术研究和测试认证阶段；2010-2014年基于系统及现场应用验证阶段；2015-2018年决定采用SiC的用户增加阶段；2019年之后，SiC的应用场景增加阶段。

▋硅基和SiC基先进器件技术并驾齐驱

硅基IGBT技术

首先看硅基IGBT技术，从第三代IGBT到现在的第七代IGBT，芯片面积越来越小，每一代IGBT的损耗都在不断减少。

以适用于低成本逆变器的DIPIPM™为例，通过集成RC-IGBT封装尺寸小了30%；通过增加自举电路GND端子实现了简单的PCB布局，外壳温度范围扩展到115℃。在IGBT晶圆尺寸方面，从第三代到第七代越来越大，未来趋势是拓展下一代IGBT的12英寸晶圆市场。

所谓RC-IGBT是将把两个芯片合二为一，芯片具有双向流动电流能力。它可以改善散热，同时减少内部连接面积，以降低热阻。和传统的IGBT相比，新的IGBT损耗可降低50%左右。
 

三菱电机功率器件制作所首席技术顾问Gourab Majumdar博士认为，IGBT先进技术的精华在于，需要对IGBT的饱和压降、安全工作区和关断损耗三个关键指标进行平衡。为此，三菱发明的CSTBT™ cell结构晶圆技术可以用更薄的晶圆将饱和压降做得更低；利用IPM技术也可以通过带短路检测的芯片优化安全工作区，进一步降低IGBT的饱和压降；采用沟槽栅IGBT，将有源栅极（G）和伪栅极（E）交替使用，效果更好。“新型沟槽栅技术可以进一步优化开通损耗，以及开通时的电压和电流变化率。”他表示。

Gourab Majumdar博士解释说，所谓伪栅极是采用Split-gate（分栅技术），改变了传统上三个真栅极并排排列的局面。G、E交替进行，在优化性能的同时，可以根据客户不同的应用要求采用不同技术来组合芯片。
 

SiC工艺技术的改进

关于SiC路线，Gourab Majumdar博士说，将来要用到两个新技术，在1200V以下采用沟槽栅SiC MOSFET技术，3.3kV以上将采用把肖特基二极管（SBD）集成在MOSFET中的平面栅SiC MOSFET技术。

新型沟槽栅技术的特点在于采用了三个自研技术：一是倾斜离子注入技术（tilted ion implantation technology），用来改进芯片的可生产性；二是Grounded p+ BPW，在栅极底部“p+”的地方用BPW技术减少栅氧层的电场强度，使芯片具有更高的可靠性；三是在纵向沟道中采用n+JFET掺杂技术，使芯片整体损耗比传统平板栅降低50%以上。
 

近藤晴房补充说：“在低压领域沟槽栅技术的挑战已基本克服了，明年车用SiC模块就会用沟槽栅的技术来实现。”他补充说，低压和高压芯片的主要区别是厚度。低压芯片中主要的电阻构成是沟道电阻和JFET电阻，所以有必要引入沟槽栅技术来降低总导通电阻。高压芯片的导通电阻主要是漂移电阻（Rdrip），当然也可以采用沟槽栅来做，但没有太大必要，因为用平面栅就可以实现低导通电阻。

此外，高压SBD SiC MOSFET是将二极管集成在MOSFET芯片中，以消除双极电流退化。集成二极管带来了两个好处：首先，两个芯片合二为一后，总芯片面积减少了，可以降低成本。第二，集成二极管后，两个芯片一体化，距离变短，特性更好。具体表现在二极管恢复特性方面，集成后原来的SiC MOSFET尾电流变得很小，恢复特性变得非常理想。
 

SiC模块封装技术改进是重头

DIPIPMTM是25年间出货量超过10亿片的系列，共有7种封装，覆盖从100W到22kW的变频应用。其中SLIMDIP-ZTM系列是最小封装的双列直插IPM产品，功率达30A，温度性能也更好。两个采用超小型封装的全SiC模块功率为20A和25A，通过降噪将损耗降低了70%以上，可以实现更高效的系统。

据介绍，由于具有小型化、低损耗、高可靠性，25年间全球有2600万辆电动/混动汽车搭载了三菱电机的功率芯片和模块。

回顾汽车功率模块产品路线可以发现，从采用第四代IGBT的车用IPM到采用第五代IGBT的T-PM，以及采用第五代IGBT T-PM结构技术的J系列和目前市场旺销的J1系列，都是鳍型模块，下一代汽车模块将采用压铸膜封装技术。总之，未来将是“两条腿走路”，硅RC-IGBT芯片和SiC MOSFET芯片都有用武之地。
 

Gourab Majumdar博士认为，下一代汽车功率模块的基本概念是先做基于压注模封装的半桥功率核，逆变器则可以采用三个核或六个核（两并）实现灵活的功率配置。在同一封装中可以安装RC-IGBT或SiC功率芯片，其中RC-IGBT用于低压平台的功率模块，而SiC MOSFET用于高压平台的大功率模块，以满足车用客户从低功率到高功率的宽泛要求。
 

在工业用模块方面，既沿用经典的封装也采用新型封装，SiC模块会继续往更大功率的方向走。三菱的大功率模块LV100有望成为未来行业的标准封装，它几个好处：一是可以用较小的封装实现大功率输出；二是适合并联设计，很容易通过并联实现兆瓦级功率设计；三是从1.2kV、1.7kV、2.0kV及以上都可以做成标准化的封装。

LV100采用最新第七代芯片实现，具有低功耗、高输出功率、紧凑、采用可靠的SLC封装等特性。内部测试显示，由于采用完全对称的内部主电路结构设计，大功率模块内部的杂散电感比较小。
 

从高压功率模块的发展技术路线看，LV100封装已推出五代产品，目前基于190×140mm的大封装形式，未来还会推出硅基IGBT和SiC模块。由于LV100封装的杂散电感比较小，可以将电流密度推向极致，所以更适合做SiC模块设计。最近发布的800A/3.3kV SBD嵌入式SiC MOSFET高压模块就是基于LV100的产品。
 

据Gourab Majumdar博士透露，三菱电机还在研发先进的封装技术，比如绝缘材料、芯片键合技术等。绝缘材料方面，新型树脂基热板是一种BN（氮化硼）填料，其定向控制特性有助于提高绝缘片的导热性，在导热系数、填料接触面积密度和散热方向方面均有改善。
 

芯片键合技术方面，针对高温/高功率密度烧结（压力、无压力）的芯片键合技术可提供Tvpo＞200℃的接合部分操作温度，导热系数＞250W/m·K，热循环耐力极高。

内部布线/连接技术包括DLB（直接引线键合）技术和DPB（直接电源板键合），前者有超过14年的汽车量产历史，后者正在调查阶段。

▋硅和SiC将和平共处

最近几年，汽车产业的高速发展促进了芯片产业快速进展，反过来，芯片技术的成熟也在促进汽车电驱动系统的创新。可以预见，在未来很长一段时间内，硅和SiC将和平共处，而SiC在未来会不会被氮化镓、氧化镓、金刚石等宽禁带材料替代，大概率是不会，因为它们各有各的特点，各有各的适用场景。