为什么东芝的IGBT和碳化硅产品和别人都不一样？

　　金年会金字招牌诚信至上自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（PCIMAsia2024）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（InjectionEnhanced）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。”

　　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。

　　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(4.5KV/2KA/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。

　　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芯片上再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SiCMOSFET常见的双极退化问题。

　　“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。

　　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Model3会使用150颗碳化硅MOSFET。也就是说，两辆Model3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。”

　　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。