【導讀】三菱電機從事功率半導體開發和生產已有六十多年的歷史，從早期的二極管、晶閘管，到MOSFET、IGBT和SiC器件，三菱電機一直致力于功率半導體芯片技術和封裝技術的研究探索，本篇章帶你了解三菱電機功率器件發展史。
三菱電機從事功率半導體開發和生產已有六十多年的歷史，從早期的二極管、晶閘管，到MOSFET、IGBT和SiC器件，三菱電機一直致力于功率半導體芯片技術和封裝技術的研究探索，本篇章帶你了解三菱電機功率器件發展史。
半導體器件是當今迅速發展的各類電力電子設備不可或缺的組成部分，是促進科技發展、社會進步的重要力量。作為諸多領域技術的創新者，三菱電機在半導體領域扮演著重要的角色。優良的技術、現代化的制造工藝和充足的產能是三菱電機成功的關鍵。三菱電機功率器件發展史如下圖1所示。
圖1：三菱電機功率器件發展史
20世紀60年代，三菱電機推出了大功率二極管和晶閘管產品。晶閘管在電力電子產品的現代化進程中發揮了重要作用，并不斷朝著更高的耐壓和更大的電流發展。20世紀80年代，晶閘管從沒有自滅弧功能的逆阻晶閘管發展到自滅弧型GTO（Gate Turn Off）晶閘管，這種晶閘管即使在直流電路中也能通過向柵極施加負壓信號，使其從開啟狀態變為關閉狀態。此外，GCT（Gate Commutated Turn off）晶閘管繼承了GTO晶閘管的基本結構，并顯著降低了柵極的阻抗，實現了高速運行和高關斷性能。SGCT（Symmetrical Gate Commutated Turn off）晶閘管單元是一種具有反向阻壓能力的GCT晶閘管，通過集成經過優化設計的柵極驅動器，充分發揮GCT晶閘管的性能，同時有助于降低系統設計難度。
20世紀80年代，三菱電機開發了MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）模塊和IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）模塊。MOSFET具有高速開關、電壓型驅動和低損耗等優點，廣泛應用于各類中小功率電力電子變換電路。IGBT集合了MOSFET的驅動功率小、開關速度快和BJT通態壓降小、載流能力大的優點，成為現代電力電子技術的主要器件，在中大功率電源應用中占重要地位。
IGBT
三菱電機IGBT芯片發展史如圖2所示，第4代IGBT芯片結構從平面柵結構發展為溝槽柵結構。第5代IGBT芯片在溝槽柵IGBT的基礎上增加了電荷存儲層，也即CSTBT?結構，改善了關斷損耗和集電極發射極飽和壓降的折衷關系，降低功率損耗。在此基礎上，第6代和第7代IGBT芯片不斷優化芯片結構，減薄晶圓厚度，損耗得到進一步的降低。
圖2：IGBT芯片發展路線圖
第7代IGBT模塊結構如圖3所示，采用了直接環氧灌封（Direct Potting）樹脂和一體化絕緣金屬基板IMB（Insulated Metal Baseplate），去掉了絕緣層和金屬底板之間焊接層，大大提高了IGBT模塊的熱循環能力。在此基礎上開發的工業LV100封裝IGBT（圖4），涵蓋多個電壓等級（已有1.2kV、1.7kV和2kV），具有更高電流密度、更高可靠性，適合光伏、風電、制氫電源及電機驅動等多個場合。
圖3：7th IGBT新型結構
圖4：工業LV100封裝IGBT
IPM
三菱電機于1989年創造性地提出了智能功率模塊IPM（Intelligent Power Module）的概念。如圖5所示，逆變電路、驅動電路和保護電路一體化的解決方案大大減少了系統的體積、成本和開發時間。
圖5：IPM內部框圖
最新G1系列IPM如圖6，采用與第7代IGBT模塊相同的IGBT芯片和二極管芯片技術，實現極低損耗。除了傳統IPM的控制電源欠壓保護UV（Under Voltage protection）、短路保護SC（Short Circuit）和過熱保護OT（Over Temperature）外，G1系列還增加了開關速度切換和故障識別功能，有助于提高逆變器設備的性能和可靠性。
圖6：G1系列IPM
HVIGBT
1996年，三菱電機HVIGBT開始推向市場，憑借其優異的性能和高可靠性，在鐵路、電力傳輸等領域得到了廣泛的應用。經過不斷地優化改進，三菱電機陸續推出了H系列、R系列、X系列，電壓范圍涵蓋1.7kV到6.5kV，IGBT電流等級不斷擴大。
三菱電機最新X系列HVIGBT模塊全系列最高運行結溫至150℃，通過優化芯片終端設計和封裝內部結構，增強散熱性、防潮性和阻燃性，提高產品運行可靠性。共包含2類封裝，標準封裝HVIGBT如圖7，LV100/HV100封裝見圖8。
圖7：標準封裝HVIGBT
圖8：LV100/HV100封裝HVIGBT
DIPIPM?
1997年，三菱電機開發了壓注模封裝智能功率模塊DIPIPM?，如圖9和圖10所示，內置驅動芯片，不但可以實現單電源驅動，而且集成了欠壓、過溫、過流等保護功能，降低了變流器的設計難度，同時提高了變流器的可靠性。
圖9：DIPIPM?框圖
圖10：DIPIPM?外觀
自第1代DIPIPM?誕生以來，伴隨著IGBT芯片一代代技術的發展和封裝技術的不斷改進，三菱電機也對DIPIPM?產品不斷進行升級換代，至今已發展至第7代DIPIPM?，封裝形式也發展到小型、超小型、SLIMDIP?、SOPIPM?和DIPIPM+?，不斷致力于為客戶提供更高能效、更高集成度、更智能化、更高功率密度和更高性價比的產品。
EV模塊
1997年，三菱電機就將電動汽車專用功率模塊成功用于HEV，積累了大批量生產和應用的經驗，截至2023年底，已有2900萬臺裝載了三菱電機功率芯片或功率模塊的電動汽車在路上運行。從第5代開始，三菱電機采用T-PM（Transfer-mold Power Module）壓注模封裝技術，使用環氧樹脂灌封代替傳統硅凝膠灌封，提高了抗振性和模塊安裝方向的自由度。J1A系列IGBT模塊采用了DLB（Direct Lead Bonding）連接工藝，把銅端子（銅框架）綁定到芯片上，使芯片溫度分布更均勻，降低了最高溫度，從而改善功率循環壽命。
最新J3系列車載功率模塊，同樣采用高可靠、易批量生產的壓注模封裝，同一封裝兼容RC-IGBT和SiC MOSFET，支持高速開關和并聯應用，將幫助客戶進一步提升電動汽車的功率密度和續航里程。J3-HEXA-S有三個J3-T-PM，J3-HEXA-L有六個J3-T-PM（圖11），兩者都配備專有的散熱片，以適應xEV逆變器的不同功率段設計。
圖11：J3-T-PM、J3-HEXA-S、J3-HEXA-L
SiC模塊
三菱電機從1994年開始SiC相關技術研究，已經擁有30年的經驗。在1994年至2004年的第1個10年中，研發工作主要針對SiC MOSFET和SiC SBD等芯片技術本身。2005年至2009年，三菱電機將開發重點集中到了SiC功率模塊的應用，為此，三菱電機設計并評測了多種應用場合的基于SiC功率器件的逆變器。2010年至2014年，SiC功率模塊開始商業化，在此期間，三菱電機推出了多種類型的第1代全SiC功率模塊和混合SiC功率模塊。
目前，6英寸第2代平面柵SiC MOSFET穩定量產中，第3代SBD嵌入式SiC MOSFET和第4代溝槽柵SiC MOSFET將逐步被采用。從600V到3300V，數十款SiC功率模塊已在家電、工業、新能源、汽車和牽引等領域獲得商業化應用。新推出的3300V，200A/400A/800A Unifull?系列SiC MOSFET模塊（圖12）可顯著降低開關損耗并提高其性能。
圖12：Unifull? 3300V SiC MOSFET模塊
關于三菱電機
三菱電機創立于1921年，是全球知名的綜合性企業。截至2024年3月31日的財年，集團營收52579億日元（約合美元348億）。作為一家技術主導型企業，三菱電機擁有多項專利技術，并憑借強大的技術實力和良好的企業信譽在全球的電力設備、通信設備、工業自動化、電子元器件、家電等市場占據重要地位。尤其在電子元器件市場，三菱電機從事開發和生產半導體已有68年。其半導體產品更是在變頻家電、軌道牽引、工業與新能源、電動汽車、模擬/數字通訊以及有線/無線通訊等領域得到了廣泛的應用。
文章來源：三菱電機半導體
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