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【功率半导体观察】Si基产品也有很多新产品及新技术  

2013-07-09 13:48:52|  分类: 电子技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  在PCIM上,不仅下一代功率半导体的飞跃式发展引人注目,使用现行材料Si的IGBT、MOSFET和功率模块的新技术、新产品也纷纷亮相。英飞凌就借此次展会之机发布了多款新产品(图5)。该公司在超结(SJ)构造的MOSFET(SJ MOSFET)和IGBT模块领域拥有很高的份额。
  图5:Si功率元件的新产品和新技术接连发布
  英飞凌发表了使用Si的超结MOSFET和IGBT的新产品(a,b),展出了用于车载设备的IGBT模块以及采用了TIM导热材料的功率模块(c,d)。
  SJ MOSFET方面,英飞凌发布了号称“导通电阻为业内最小”的“CoolMOS”系列新产品“C7”。这是该公司的第7代SJ MOSFET,耐压为650V,采用TO-247封装的品种的导通电阻为19mΩ,TO-220封装品为45mΩ。
  C7设想用于需要高速开关的用途,例如光伏发电系统、服务器、通信设备、UPS等。即便是在开关频率为100kHz的用途,也能实现高效率。该产品已开始提供样片,计划2013年6月投入量产。

  展出低损耗及高输出功率的产品 
  在英飞凌的IGBT产品方面,处于提供样片阶段的“TRENCHSTOP5”系列的耐压650V的品种已于2013年5月开始量产。该产品的特点在于损耗低。与该公司以往产品(耐压为600V的“H3”)相比,关闭时的损耗大约减少了60%。栅电荷(Qg)也小于H3,还不到H3的一半。
  IGBT模块方面,该公司展出了面向车载设备的新产品“EconoDUAL3”系列。新产品的特点是输出电流大于该公司以往产品,从过去的450A扩大到了600A。电流的扩大是通过使用Cu线对IGBT进行键合、从而降低模块内部导线电阻等方法实现的。该系列将从2013年第四季度开始提供样片,在2014年下半年投入量产。
  除此之外,英飞凌还公开了将增加使用TIM导热膏的功率模块产品的计划,并展出了采用TIM的模块。该公司表示,使用TIM后,功率模块与散热片之间的热阻可以降低20%(注1)。
  (注1)在功率模块内部,功率元件(芯片)一般是用锡焊焊接在绝缘基板(DCB基板)上。DCB基板焊接在被称作“底板”的金属板上,半导体芯片散发的热量透过DCB基板和底板传递到散热片上释放。而底板与散热片之间的接合使用的就是TIM。

  IGBT也使用300mm基板制造
  除了发布新产品之外,英飞凌在展会上还透露了耐压为1.2kV的IGBT和IGBT模块的开发蓝图(图6)。
  图6:Si基板的大口径化与薄型化,提高IGBT的功率密度
  英飞凌透露了耐压为1.2kV的IGBT的开发蓝图。制造IGBT使用的Si基板的口径将从现在的200mm扩大到300mm,以降低成本(a)。同时缩小Si基板的厚度,降低损耗(b)。该公司计划在可容许的范围内提高IGBT的接合温度,并且提高功率密度。在展位上展示了正在开发的IGBT(c)。((a)与(b)为《日经电子》根据英飞凌的资料制作)
  英飞凌为了提高生产性以削减制造成本,将扩大制造IGBT使用的Si基板的口径。该公司目前使用的Si基板的口径为200mm,将来准备采用12英寸,也就是300mm口径的Si基板。
  SJ MOSFET方面,该公司从2013年2月开始使用300mm基板进行量产,今后还将推广至IGBT,最早将在2013年内开始使用300mm基板。
  在增大Si基板的同时,还将推进基板薄型化。一般来说,基板越薄则IGBT的损耗越小。但如果太薄,不仅基板容易曲翘,难以进行制造,而且不容易维持耐压。
  现在,Si基板的厚度约为100μ~120μm,英飞凌计划到2020年使基板厚度达到70μm。据功率半导体技术人员介绍,在确保1.2kV耐压的前提下,这一厚度是“极限”。
  另外,英飞凌还介绍了增加IGBT输出功率密度的蓝图。增加密度有助于实现IGBT模块的小型化,采用的方法是提高IGBT的容许接合温度。首先将把温度从现在的150℃提高到175℃,将来计划达到Si IGBT的理论极限——200℃。
  通过提高接合温度来增加功率密度时,必须要为功率模块中的IGBT芯片采用新的封装技术以降低热阻。为此,该公司将采用名为“.XT”的下一代模块技术。
  该技术是对IGBT芯片正面和背面的安装部分加以改进。正面的引线键合部分采用导热率更高的Cu替代AL,背面则采用自主接合技术,取代通常使用锡焊的方法。
  这样,与过去采用锡焊时相比,导热率和可靠性都有望提高。采用这些技术后,功率模块(“PrimePACK”系列)的输出电流能够从过去的900A提高到1200A。

  模块的基础部分通用
  在IGBT模块领域与英飞凌争夺份额的三菱电机也发布了IGBT模块的新技术和新产品。例如,该公司展示了面向工业设备用途的注模式IGBT模块新概念(图7)。这种IGBT模块此前一直被用于白色家电等产品,在面向家电等大量生产相同的IGBT模块的用途中,注模式IGBT模块“不仅品质稳定,而且生产效率高”(三菱电机)。
  而工业设备用途主要采用的是盒式模块。因为与家电相比,工业设备使用的模块数量少且品种多,无法充分发挥注模式模块生产效率高的优势。为此,该公司创造出了使功率模块内部安装半导体芯片、散热器、绝缘片的“基础”部分实现通用化,按照用途定制模块的外壳和端子(终端)部分,使注模式模块也适用于少量多品种生产(注2)。
  图7:基础部分通用,支持少量多品种
  三菱电机发布了面向工业设备的注模式IGBT模块新概念(a)。创造出了让功率模块内的“基础”部分通用、按照用途定制模块的管壳和端子部分,从而适应少量多品种生产的方法(b)。((b)为《日经电子》根据三菱电机的资料制作)
  (注2) 三菱电机表示,截至2013年5月底,具体规格和产品化等具体事宜尚未敲定。
  除此之外,该公司还展示了为混合动力车和纯电动汽车开发的水冷式IGBT模块“J1系列”(图8)。该系列包括650V/600A与900V/400A两款产品,特点是安装面积只需117mm×113mm。该系列将6个IGBT元件集成于1个模块之上,属于“六合一”产品,与同时使用3个集成了2个元件的该公司老式产品相比,安装面积小了大约20%。解说员自豪地说,“在输出性能相同的车载IGBT模块中,安装面积达到了业内最小水平”。据介绍,J1系列预定于2013年9月开始供应样品,“量产最快估计也要到2015年”。
  图8:车用IGBT模块安装面积缩小约20%
  三菱电机发布了面向车用IGBT模块新产品“J1系列”。集成了6个IGBT元件,与使用3个集成2个元件的该公司以往产品相比,体积大约可以减少20%。
  这一次,为了实现IGBT模块的小型化,三菱电机改进了IGBT芯片与模块的构造。IGBT芯片方面,车载用途过去一直采用该公司第5代产品,此次首次采用了第6代产品。模块方面,借助与散热片一体化的“直接水冷构造”,散热特性比该公司以往产品提高了40%

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