前言

全球知名半導(dǎo)體制造商ROHM利用多年來(lái)在消費(fèi)電子領(lǐng)域積累的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，正在積極推進(jìn)面向工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域的產(chǎn)品陣容擴(kuò)充。在支撐“節(jié)能、創(chuàng)能、蓄能”技術(shù)的半導(dǎo)體功率元器件領(lǐng)域，ROHM實(shí)現(xiàn)了具有硅半導(dǎo)體無(wú)法得到的突破性特性的碳化硅半導(dǎo)體(SiC半導(dǎo)體)的量產(chǎn)。另外，在傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體功率元器件領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了從分立式半導(dǎo)體到IC全覆蓋的融合了ROHM綜合實(shí)力的復(fù)合型產(chǎn)品群。下面介紹這些產(chǎn)品中的一部分。

已逐步滲透到生活中的SiC功率元器件

SiC功率元器件是以碳和硅組成的化合物半導(dǎo)體碳化硅(Silicon carbide)為材料制作的功率半導(dǎo)體，因其所具備的優(yōu)異性能與先進(jìn)性，多年來(lái)一直作為“理想的元器件”而備受矚目。SiC功率元器件現(xiàn)已逐漸成為現(xiàn)代日常生活中所普遍使用的“身邊的”元器件。(圖1)

SiC功率元器件的應(yīng)用案例(含部分開發(fā)中的案例)：

●“家庭里的SiC” PC電源、太陽(yáng)能發(fā)電功率調(diào)節(jié)器(家庭用)、空調(diào)等

●“工業(yè)中的SiC” 數(shù)據(jù)中心、UPS、工廠搬運(yùn)機(jī)器人、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備(IH)與高頻電源、太陽(yáng)能發(fā)電功率調(diào)節(jié)器(太陽(yáng)能發(fā)電站等非家庭用)等

●“城鎮(zhèn)里的SiC” 電動(dòng)汽車(車載充電器)、快速充電站、發(fā)電機(jī)、醫(yī)療診斷設(shè)備等

從SiC功率元器件的研究開發(fā)到量產(chǎn)，ROHM一直遙遙領(lǐng)先于業(yè)界。下面簡(jiǎn)單介紹一下SiC功率元器件的產(chǎn)品陣容及其特點(diǎn)。

①SiC肖特基二極管

自2001年世界首次實(shí)現(xiàn)SiC肖特基二極管的量產(chǎn)以來(lái)已經(jīng)過(guò)去10年多了，ROHM在2010年成為日本國(guó)內(nèi)第一家實(shí)現(xiàn)SiC肖特基二極管量產(chǎn)的制造商?，F(xiàn)在，ROHM正在擴(kuò)充第2代產(chǎn)品的陣容，與第1代舊產(chǎn)品相比，第2代產(chǎn)品不僅保持了非常短的反向恢復(fù)時(shí)間，同時(shí)正向電壓還降低了0.15V。(圖2)

產(chǎn)品陣容包括650V和1200V兩種耐壓、TO-220絕緣/非絕緣、TO-247和D2PAK等多種封裝的產(chǎn)品。另外，與硅材質(zhì)的快速恢復(fù)二極管(FRD)相比，可大幅降低反向恢復(fù)損耗，因此，在從家電到工業(yè)設(shè)備等眾多領(lǐng)域的高頻電路中應(yīng)用日益廣泛(圖3)。ROHM還擁有滿足汽車級(jí)電子元器件標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q101的產(chǎn)品，已在日本國(guó)內(nèi)及海外眾多電動(dòng)汽車、插入式混合動(dòng)力車的車載充電電路中得到廣泛應(yīng)用。

圖3.SiC肖特基二極管和硅材質(zhì)FRD的特性比較(650V 10A級(jí))

②SiC MOSFET

一直以來(lái)，與肖特基二極管相比，SiC MOSFET具有本體二極管通電引發(fā)特性劣化(MOSFET的導(dǎo)通電阻、本體二極管的正向電壓上升)問(wèn)題，而其帶來(lái)的可靠性問(wèn)題一直是阻礙量產(chǎn)化的課題。

ROHM通過(guò)改善晶體缺陷相關(guān)的工藝和元件結(jié)構(gòu)，于2010年12月領(lǐng)先世界實(shí)現(xiàn)了SiC MOSFET的量產(chǎn)。

現(xiàn)在，ROHM正在加速650V及1200V耐壓的第2代產(chǎn)品的研發(fā)。

與作為耐高壓的開關(guān)元件被廣泛應(yīng)用的硅材質(zhì)IGBT相比，SiC MOSFET開關(guān)損耗具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，僅為1/5左右，因此，在驅(qū)動(dòng)頻率越來(lái)越高所要求的設(shè)備小型化(過(guò)濾器的小型化、冷卻機(jī)構(gòu)的小型化)和電力轉(zhuǎn)換效率的提升等方面效果顯著。(圖4)

圖4. Si-IGBT和SiC MOSFET的開關(guān)損耗比較

③SiC功率模塊

ROHM迅速開發(fā)出內(nèi)置的功率元件全部由SiC功率元件構(gòu)成的“全SiC”功率模塊，并于2012年投入量產(chǎn)。迄今，已有額定1200V 120～180A的兩種功率模塊在ROHM公司內(nèi)部的生產(chǎn)線實(shí)施量產(chǎn)。另外，額定1200V 300A的功率模塊預(yù)計(jì)在2014年內(nèi)將投入量產(chǎn)，今后計(jì)劃繼續(xù)擴(kuò)大額定電流和額定電壓的范圍(圖5)。這些SiC功率模塊也已與離散型SiC MOSFET一并在非家庭用的太陽(yáng)能發(fā)電功率調(diào)節(jié)器和高頻電源等主要以工業(yè)用途為中心的應(yīng)用中在全球范圍被采用。

圖5. SiC功率模塊的外觀

④今后產(chǎn)品擴(kuò)充

SiC肖特基二極管和SiC MOSFET均計(jì)劃擴(kuò)充耐壓1700V的產(chǎn)品系列。不僅如此，ROHM還正在開發(fā)可大幅降低芯片單位面積的導(dǎo)通電阻的、采用溝槽柵極結(jié)構(gòu)的第3代SiC MOSFET。通過(guò)降低導(dǎo)通電阻和芯片成本，有望成為加速SiC普及的技術(shù)。

源于ROHM綜合實(shí)力的硅材質(zhì)IGBT功率元器件

在要求高頻、耐高壓兼?zhèn)涞念I(lǐng)域，SiC功率元器件利用開關(guān)損耗小的優(yōu)勢(shì)，所發(fā)揮的效果尤為顯著。與此相對(duì)，具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)的硅材質(zhì)功率元器件的活躍領(lǐng)域仍舊很大。在這種背景下，ROHM在傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體功率元器件領(lǐng)域也在進(jìn)行特色產(chǎn)品的開發(fā)，比如同時(shí)擁有MOSFET和IGBT特點(diǎn)的“Hybrid MOS”的開發(fā)等。

在硅材質(zhì)IGBT領(lǐng)域，ROHM不僅擁有單獨(dú)的半導(dǎo)體單體，作為綜合型半導(dǎo)體產(chǎn)品制造商，還擁有融合了集團(tuán)綜合實(shí)力的復(fù)合型產(chǎn)品，相關(guān)產(chǎn)品陣容正日益擴(kuò)大。下面介紹ROHM的硅材質(zhì)IGBT功率元器件的產(chǎn)品陣容。

①IGBT單品

ROHM已推出兩種耐壓650V的IGBT元件產(chǎn)品。一種是RGTH系列，該系列不僅具備低飽和電壓特性(額定電流下1.6V typ.)，而且其設(shè)計(jì)非常重視轉(zhuǎn)換器電路所要求的高速開關(guān)性能，非常適用于開關(guān)電源的功率因數(shù)改善電路(PFC)、太陽(yáng)能發(fā)電功率調(diào)節(jié)器的升壓電路等。另一種是RGT系列，該系列也具備低飽和電壓特性(額定電流下1.65V typ.)，而且具備逆變器電路應(yīng)用中尤為需要的短路耐量保證(5μS)，很適合空調(diào)、洗衣機(jī)等白色家電、太陽(yáng)能發(fā)電功率調(diào)節(jié)器、焊接機(jī)等的逆變器電路等應(yīng)用。兩種產(chǎn)品系列均含有將超高速軟恢復(fù)FRD集于同一封裝內(nèi)的產(chǎn)品。今后，ROHM計(jì)劃逐步完善1200V耐壓的產(chǎn)品系列、符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)的車載應(yīng)用產(chǎn)品系列等的產(chǎn)品陣容。

②IGBT IPM

ROHM的產(chǎn)品陣容中還新增了將低飽和電壓特性卓越的IGBT單品、超高速軟恢復(fù)FRD與柵極驅(qū)動(dòng)IC、自舉二極管集成于逆變器的IPM(智能功率模塊)。(圖6)

圖6. ROHM的IGBT-IPM

下面是該產(chǎn)品的特點(diǎn)：

・采用應(yīng)用了600V SOI工藝的柵極驅(qū)動(dòng)IC，不會(huì)發(fā)生閉鎖引發(fā)的故障。

・自舉電路的限流電阻采用ROHM獨(dú)有的電流限制方式，抑制啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)上臂側(cè)浮動(dòng)電源的穩(wěn)定化。

・配有UVLO、短路保護(hù)、溫度檢測(cè)功能等保護(hù)功能。

・采用業(yè)界頂級(jí)的低熱阻陶瓷絕緣封裝。

預(yù)計(jì)兩種面向白色家電和小容量工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)用途的系列產(chǎn)品--在低載波頻率(4～6kHz左右)下驅(qū)動(dòng)、降低了飽和電壓VCEsat的“低速開關(guān)驅(qū)動(dòng)系列”，和在高載波頻率(15-20kHz左右)下驅(qū)動(dòng)、降低了開關(guān)損耗的“高速開關(guān)驅(qū)動(dòng)系列” 將在2014年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)(圖7)。

圖7. 適用不同載波頻率的系列產(chǎn)品擴(kuò)充

③點(diǎn)火裝置用IGBT

作為車載應(yīng)用的產(chǎn)品，ROHM推出了汽油發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火裝置用IGBT，預(yù)計(jì)將于2014年末開始投入量產(chǎn)(圖8)。

圖8. 點(diǎn)火裝置用IGBT的開發(fā)路線圖

該產(chǎn)品不僅保證該應(yīng)用所要求的雪崩耐量(250mJ @25℃)，還實(shí)現(xiàn)了低飽和電壓特性。采用D-PAK封裝，并滿足汽車級(jí)電子元器件標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q101的要求。

今后，繼推出集電極-發(fā)射極間保護(hù)電壓430±30V的產(chǎn)品之后，ROHM將通過(guò)集電極-發(fā)射極間保護(hù)電壓與雪崩耐量的組合，繼續(xù)進(jìn)行機(jī)種擴(kuò)充;并進(jìn)行包括驅(qū)動(dòng)IC在內(nèi)的封裝一體化“點(diǎn)火裝置IGBT IPM”等所關(guān)注產(chǎn)品的開發(fā)。

結(jié)語(yǔ)

ROHM的功率元器件不僅在備受矚目的SiC半導(dǎo)體領(lǐng)域，在硅半導(dǎo)體領(lǐng)域也在不斷完善著產(chǎn)品陣容。今后也會(huì)繼續(xù)發(fā)揮ROHM從分立式半導(dǎo)體到IC全覆蓋的綜合實(shí)力，不斷推出滿足多樣化市場(chǎng)需求的產(chǎn)品。