东芝的IEGT本质上可以理解为一种增强型的IGBT。因为1993年东芝基于注入增强(Injection Enhanced)结构IGBT注册了IEGT这个专利名称,所以此后东芝此类型的IGBT产品都称为IEGT……

自1875年成立以来,东芝一直是创新与技术实力的代名词,在日本乃至全球的科技史上都占有举足轻重的地位。

除了在1985年研发出世界第一台笔记本电脑外,在半导体领域,东芝也曾是全球领头羊。1984年,东芝发明的NAND闪存技术为后来的存储技术发展奠定了基础,其芯片业务销售额直至2015年都位列世界前十。

然而,随着全球产业的剧烈变革,东芝也面临着转型升级的挑战。2023年12月20日,东芝正式退市,这一举动被视为东芝摆脱外部干扰,收回公司经营决策权的重要一步。退市后的东芝,更加明确了集中优势资源发展功率半导体的方针。

今年5月,东芝半导体宣布位于日本石川县的加贺东芝电子株式会社(东芝的重要集团公司之一)新的功率半导体 300 毫米晶圆制造工厂和办公楼竣工。东芝表示,新工厂争取在2024财年下半年开始量产。一旦一期工程全面投产,东芝功率半导体(主要是 MOSFET 和 IGBT)的产能将是2021财年制定投资计划时的2.5倍。

东芝的这一转型,不仅是对自身发展战略的调整,也是对全球功率半导体市场变化的积极应对。功率半导体是影响节能性能的关键器件,在低碳化背景下,新能源汽车、太阳能、家电、数据中心、产业数字化等各领域对功率半导体的需求不断扩大,这一市场正呈现快速增长态势。

日本调查机构富士经济预计,2035年功率半导体市场规模将比2022年多出5倍。而东芝凭借其在IGBT、MOSFET等领域的深厚底蕴,正迎来在功率半导体新上的发展机遇。

在日前于深圳举办的2024国际电力元件、可再生能源管理展览会(PCIM Asia 2024)上,东芝重点展出了大功率器件IEGT、二电平拓扑的PPI压接装置、全碳化硅模块、智能功率器件、车载分立器件以及分立器件封装产品线。《电子工程专辑》也就东芝功率半导体的技术特点、产品布局和应用,采访了东芝电子元件(上海)有限公司技术部副总监屈兴国。

东芝电子元件(上海)有限公司 技术部副总监 屈兴国

东芝的IEGT,和IGBT有何不同?

“东芝的IEGT本质上可以理解为一种增强型的IGBT。” 屈兴国向《电子工程专辑》解释了IEGT这个名称的由来,因为1993年东芝基于注入增强(Injection Enhanced)结构IGBT注册了IEGT这个专利名称,所以此后东芝此类型的IGBT产品都称为IEGT。目前东芝IEGT主要以压接的封装为主,和其他家的IGBT有所不同,主要不同在于“其他厂商的IGBT模块内部一般采用bonding线连接,而东芝IEGT是一种基于双面压接无bonding线连接的器件,这样可靠性更高。”

东芝大功率器件IEGT展示

具体来说,IEGT具备独特的散热设计,通过上下铜板将带有银色镀铝表面的硅片夹紧,无需bonding线,中间采用填充材料钼确保硅片与铜板的良好导电和导热性能。经过抽真空密封过程注入惰性气体以维持芯片稳定状态,还可以实现双面散热。

这类器件还有一个显著优势,当它失效时,通常会以短路的形式出现。这意味着,用户的产品可以将多个IEGT器件串联使用,如果其中一个器件失效,它只会处于短路状态,就像串联了一个电阻,但不影响整个链条继续工作。

这一特性也让东芝IEGT非常适合输配电等大功率领域,例如柔性直流换流阀中的AC/DC或DC/AC转换环节。屈兴国表示,为了保证电网正常运行,柔直方案必须有短路失效模式。“但是黑模块使用的Bonding线一旦电流过大就会融化,因此最好的解决方案是采用这样的压接型器件,或采用旁路电路来实现”

据悉,东芝IEGT系列产品未来的发展趋势是降低损耗,以东芝2022年发布的全球首款4.5kV双栅极反向传导(RC-IEGT)产品为例,采用双栅极,其空穴控制栅极(CG)与主栅极(MG)分立,相较于传统IGBT可降低约16%的总功耗。虽然此产品尚未量产,但它反映了业界对于节能技术不断进步的趋势,可以满足大功率、小型化、高效、节能环保的市场新需求。

东芝新型双栅极RC-IEGT结构

据介绍,在过去两年中,东芝电子除了维持传统的IGBT业务外,在国家电网改造和新型柔性输配电领域的业务也在不断拓展。“我们不是只售卖单一器件而已。”屈兴国表示,东芝会提供一整套装置,让新客户快速理解并评估东芝IEGT器件的技术特性及潜在价值。

这套装置是半桥拓扑的子单元、采用了2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,从而去了解器件性能。该装置实际应用中的压力要求高(例如125毫米平台直径需约50KN压力),并要求器件在高压下的有极好的平整度,有了该装置,可以使客户快速地了解东芝IEGT器件,缩短客户的开发周期。

IEGT压接装置(半桥拓扑)示例

东芝的碳化硅器件有“秘密武器”

碳化硅仍然是所有功率器件厂商绕不开的话题,除了大量新创企业涌入这一赛道,不少老牌功率模组和整机厂商,也开始了自研。这也导致了大量的重复投资、盲目扩产以及同质化产品充斥市场。

“如果大家的产品都趋同化,那就只剩下价格竞争,所以我们更注重创新和差异化。” 屈兴国说道。

东芝此前一直制造和销售碳化硅模块,从2023年6月开始生产自己的碳化硅单管。为了迎合中国市场需求,东芝在碳化硅产品上采用了差异化战略——在碳化硅MOSFET芯片上集成了碳化硅二极管(SBD)

反观其他碳化硅竞品二极管都是借用PN结,所谓的本体二极管,最大的缺点是管压降(Vf)高达3-5V。“与其他公司同规格1200V的产品相比,东芝碳化硅产品具有更低的管压降(约1.35V),” 屈兴国说道,通过内置SBD设计还成功避免了芯片叠层缺陷——也就是SiC MOSFET常见的双极退化问题。

东芝的6英寸碳化硅晶圆

“目前,几乎所有碳化硅材料都存在叠层缺陷,当逆电流流过本体二极管时,会导致主体MOS管的有源区域减小,也就是导通电阻(RDS(on))会飘,体二极管的Vsd变大。”而加入了SBD的东芝二极管则可以看作一个整体,此举不但降低了Vf值,还有效避免碳化硅的双极退化。

东芝这样的碳化硅产品更适用于有反向恢复电流的逆变器,尤其在高功率和重载条件下表现出明显优势。因为常规体二级管在大电流条件下温升损耗比较大,采用SBD后,更适合逆变器电路应用。

另外,东芝还在2023年发布了业界首款2200V双碳化硅MOSFET模块,主要是满足光伏行业1500V母线电压的要求。屈兴国解释道,就像400V平台,器件选择650V以上的;800V平台会选择1200V器件;1500V平台用1700V的器件耐压不够, 3300V的器件成本又太浪费,所以2200V器件最合适。

坚持用“笨”方法做车载产品

谈到碳化硅行业目前为什么还没起量,屈兴国指出,当前碳化硅最大的应用市场还是电动汽车,一块6英寸碳化硅衬底大约能切出300颗碳化硅MOSFET,一辆Model 3会使用150颗碳化硅MOSFET。也就是说,两辆Model 3就会用完一整块6英寸碳化硅衬底。而光伏、储能、充电等行业对于碳化硅的用量其实很小。

虽然“大客户”特斯拉率先采用了碳化硅器件,但只上到650V,要实现800V平台则需要1200V的器件。“等到1200V器件开始起量时,就是碳化硅行业的春天。” 屈兴国说道。

据介绍,东芝的低压MOS在国内一些车型中已经得到了应用,比如特斯拉的助力转向系统(EPS)就采用了东芝芯片。而IGBT、碳化硅也正在一些汽车应用的验证中,同时,东芝的光继电器产品也拥有AEC-Q101车规认证并在汽车上得到了实际应用,在行业中,光继电器能通过车规认证的不多。

“东芝开发车规级产品过程,与其他厂商很不一样。” 屈兴国表示,大部分国内厂商是用工业规格的产品,去申请车规的认证。但东芝“从设计阶段开始就专注于开发符合车辆安全规范的产品,整个过程遵循严格的车规认证标准,因此其可靠性更高。”

这大概也是东芝光耦、光继电器在行业内口碑好的原因。

坚持差异化,应对行业内卷

当前的功率半导体市场呈现一个“卷”字,无论是碳化硅、氮化镓还是传统硅基器件,大家都在杀价格抢市场。

对此东芝采取的是差异化定位和合作共赢的策略。一方面坚持通过研发独特技术保持差异化;另一方面,未来在业务上更多地选择与国内厂家合作而非直接竞争,例如开展晶圆业务,出售芯片给一些国内厂商,满足他们自己封装成产品的需求。

“即使国内市场竞争激烈,我们也会坚守底线,避免过度降低成本导致恶性竞争。” 屈兴国说道,“我们期待国内市场需求回归理性,避免无底线的价格战。”随着行业整合的进行,优秀企业将脱颖而出,最终会留下几家龙头品牌,而东芝将继续在与中国企业一起,为发展更先进高效的能源产品而共同努力。

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