“PCIM Europe”是功率器件、逆變器、轉換器等功率電子產品的展會。在市場要求降低耗電、減輕環境負荷等背景下，該展會的規模逐年擴大，2013年共迎來了近8000名參觀者。在本屆展會上，開發SiC、GaN等下一代功率器件的企業有所增加，為數眾多的展示吸引了各方關注。SiC和GaN也變得不再是“下一代”。

　　“下一代功率半導體已經不再特別。”

　　2013年5月14～16日在德國紐倫堡舉辦的世界最大規模功率電子展會“PCIM Europe 2013”很好地體現了這一點。包括SiC制二極管及MOSFET、GaN功率晶體管在內，使用下一代功率半導體的模塊和電力轉換器等展品琳瑯滿目（圖 1）。在PCIM舉辦的會議上，關于下一代功率半導體的研討會也選在了能夠容納200多人的大會議廳舉辦。

　　圖1：下一代功率元件與Si IGBT的技術不斷發展

　　從PCIM 2013上可以看到，開發SiC功率元件的企業增加，關于此類元件性價比的討論也在進行。而且還發布了采用GaN元件的音響產品。Si功率元件方面，IGBT的成本壓縮和高輸出功率化、MOSFET的低導通電阻化都有進展。

　　現行Si功率元件及使用這種元件的模塊也處于增長趨勢。在混合動力汽車、純電動汽車等汽車領域，光伏發電系統、風力發電系統等可再生能源領域，以及通用逆變器裝置、加工機等工業設備領域，Si功率元件及其模塊的需求十分旺盛，新產品層出不窮。降低了成本并提高了輸出功率的IGBT以及實現了行業最小導通電阻的MOSFET也都登場。

　　***企業也推出了SiC產品

　　在PCIM的展會現場，包括SiC功率元件以及使用這種元件的功率模塊等SiC產品的數量之多格外引人注目。本屆PCIM上至少有10家企業展出了SiC相關的產品或試制品（圖2）。

　　圖2：開發SiC的企業激增

　　至少10家企業展出了SiC功率元件及使用這種元件的功率模塊。其中也有住友電氣工業這種首次在展會上披露SiC功率元件及模塊開發進展的企業。

　　日本以外的參展企業有科銳、罡境電子、英飛凌、美高森美、意法半導體等，日本企業有富士電機、三菱電機、羅姆、住友電工、東芝等進行了展示。

　　其中，來自***的罡境電子的參展稱得上是SiC器件開發隊伍壯大的象征。在此之前，投產SiC器件的只有日美歐企業，亞洲企業還沒有實用化的。

　　罡境電子展示了SiC二極管產品。該公司解說員介紹，“實現產品化是最近的事情”。產品的耐壓為600V～1200V不等，使用直徑100mm的基板制造，但該公司沒有透露詳細的性能參數。

　　住友電工也參戰

　　日本企業中也有首次展出SiC器件的新軍——住友電工。該公司展出的“全SiC”功率模塊不僅使用了SiC MOSFET，還使用了SiC肖特基勢壘二極管（SBD）。該公司解說員說，“SiC MOSFET在2012年在學會上發表之后，是第一次在展會上公開”。

　　住友電工展示的功率模塊開發品的耐壓為1.2kV，輸出電流為100A，室溫下的電阻值為12mΩ，支持50kHz開關。現在，該公司還在開發耐壓也是1.2kV，但降低了功率模塊電感的品種。

　　今后住友電工還準備把耐壓提高到1.7kV、2.2kV、3.3kV。在展位上，該公司透露了耐壓為1.7kV的全SiC模塊的部分性能參數，輸出電流為400A，電阻值為7mΩ，支持50kHz開關。

　　雖然沒有透露商業化的相關消息，但鑒于目前已經有多家企業投產SiC SBD，因此，該公司大力發展的對象，似乎將是涉足企業較少的SiC MOSFET和全SiC模塊的開發。

　　低成本化討論全面展開 隨著SiC器件生產商的增加，壓縮器件成本的力度估計將越來越大。在本屆PCIM上，關于使用SiC器件的性價比的討論已經全面展開。

　　舉例來說，科銳在PCIM的會議上強調，通過使用SiC功率元件，可以削減電力轉換器的成本。在演講中，該公司以設想用于光伏發電系統功率調節器的10kW級升壓轉換器為例，介紹了該公司估算出的使用Si IGBT和Si二極管，以及科銳生產的SiC MOSFET和SiC二極管時各自需要的成本。

　　科銳表示，與使用Si IGBT和Si二極管相比，使用該公司的第2代SiC MOSFET和SiC二極管能夠降低升壓轉換器的總成本。具體來說，通過提高開關頻率來縮小電感器、降低電感器的成本，可使總成本壓縮到比使用Si功率元件時更低的程度。

　　按照科銳估算的結果，如果使用Si功率元件，在20kHz下開關，需要的成本是181.4美元，而使用SiC功率元件，在60kHz、100kHz下驅動的話，成本將分別降至170美元、163美元（圖3）。

　　圖3：SiC功率元件使低成本化成為可能

　　科銳強調，使用SiC功率元件有望降低電力轉換器的總成本。以10kW級的升壓轉換器為例，通過提高開關頻率，能夠實現電感器的小型化，從而使系統的總部件成本低于使用Si功率元件時的成本。

　　科銳的第2代SiC MOSFET在2013年3月剛剛發布。與第1代產品相比，通過縮小芯片面積等手段壓縮了成本。以耐壓為1.2kV的品種為例，第2代（“C2M0080120D”）的芯片面積比第1代（“CMF20120D”）縮小了約35％。

　　除了科銳，英飛凌也重點強調了壓縮成本的舉措。該公司通過把制造SiC功率元件使用的SiC基板的口徑從目前的100mm擴大到150mm，提高了元件的生產效率，從而削減了成本。該公司在展會現場展示了在150mm基板上制作的SiC SBD。

　　GaN進入音響產品

　　圖4：GaN功率元件被用于D級放大器

　　IR宣布，三星音響產品的D級放大器采用了該公司耐壓為100V的GaN功率元件。并在PCIM的展會現場展示了實機。

　　備受期待的下一代功率元件之一——GaN器件也終于開始被產品采用。在本屆展會上，國際整流器公司（IR）透露，三星電子的音響產品 “HTF9750W”的D級放大器采用了IR生產的耐壓為100V的GaN功率元件。IR在其PCIM展位上展示了D級放大器實機（圖4）。

　　GaN功率元件從2010年左右開始逐漸產品化，到2013年，供應商已經有約5家。元件廠商越來越多，但被實際用于產品的案例卻寥寥無幾。三星電子等大型設備廠商的采用或許將帶動GaN功率元件的普及。

　　Si基產品也有很多新產品及新技術

　　在PCIM上，不僅下一代功率半導體的飛躍式發展引人注目，使用現行材料Si的IGBT、MOSFET和功率模塊的新技術、新產品也紛紛亮相。英飛凌就借此次展會之機發布了多款新產品（圖5）。該公司在超結（SJ）構造的MOSFET（SJ MOSFET）和IGBT模塊領域擁有很高的份額。

　　圖5：Si功率元件的新產品和新技術接連發布

　　英飛凌發表了使用Si的超結MOSFET和IGBT的新產品（a，b）。

　　SJ MOSFET方面，英飛凌發布了號稱“導通電阻為業內最小”的“CoolMOS”系列新產品“C7”。這是該公司的第7代SJ MOSFET，耐壓為650V，采用TO-247封裝的品種的導通電阻為19mΩ，TO-220封裝品為45mΩ。

　　C7設想用于需要高速開關的用途，例如光伏發電系統、服務器、通信設備、UPS等。即便是在開關頻率為100kHz的用途，也能實現高效率。該產品已開始提供樣片，計劃2013年6月投入量產。

　　展出低損耗及高輸出功率的產品 在英飛凌的IGBT產品方面，處于提供樣片階段的“TRENCHSTOP5”系列的耐壓650V的品種已于2013年5月開始量產。該產品的特點在于損耗低。與該公司以往產品（耐壓為600V的“H3”）相比，關閉時的損耗大約減少了60％。柵電荷（Qg）也小于H3，還不到H3的一半。

　　IGBT模塊方面，該公司展出了面向車載設備的新產品“EconoDUAL3”系列。新產品的特點是輸出電流大于該公司以往產品，從過去的 450A擴大到了600A。電流的擴大是通過使用Cu線對IGBT進行鍵合、從而降低模塊內部導線電阻等方法實現的。該系列將從2013年第四季度開始提供樣片，在2014年下半年投入量產。

　　除此之外，英飛凌還公開了將增加使用TIM導熱膏的功率模塊產品的計劃，并展出了采用TIM的模塊。該公司表示，使用TIM后，功率模塊與散熱片之間的熱阻可以降低20％（注1）。

　　（注1）在功率模塊內部，功率元件（芯片）一般是用錫焊焊接在絕緣基板（DCB基板）上。DCB基板焊接在被稱作“底板”的金屬板上，半導體芯片散發的熱量透過DCB基板和底板傳遞到散熱片上釋放。而底板與散熱片之間的接合使用的就是TIM。

　　IGBT也使用300mm基板制造

　　除了發布新產品之外，英飛凌在展會上還透露了耐壓為1.2kV的IGBT和IGBT模塊的開發藍圖（圖6）。

　　圖6：Si基板的大口徑化與薄型化，提高IGBT的功率密度

　　英飛凌透露了耐壓為1.2kV的IGBT的開發藍圖。制造IGBT使用的Si基板的口徑將從現在的200mm擴大到300mm，以降低成本（a）。同時縮小Si基板的厚度，降低損耗（b）。該公司計劃在可容許的范圍內提高IGBT的接合溫度，并且提高功率密度。在展位上展示了正在開發的IGBT（c）。（（a）與（b）為《日經電子》根據英飛凌的資料制作）

　　英飛凌為了提高生產性以削減制造成本，將擴大制造IGBT使用的Si基板的口徑。該公司目前使用的Si基板的口徑為200mm，將來準備采用12英寸，也就是300mm口徑的Si基板。

　　SJ MOSFET方面，該公司從2013年2月開始使用300mm基板進行量產，今后還將推廣至IGBT，最早將在2013年內開始使用300mm基板。

　　在增大Si基板的同時，還將推進基板薄型化。一般來說，基板越薄則IGBT的損耗越小。但如果太薄，不僅基板容易曲翹，難以進行制造，而且不容易維持耐壓。

　　現在，Si基板的厚度約為100μ～120μm，英飛凌計劃到2020年使基板厚度達到70μm。據功率半導體技術人員介紹，在確保1.2kV耐壓的前提下，這一厚度是“極限”。

　　另外，英飛凌還介紹了增加IGBT輸出功率密度的藍圖。增加密度有助于實現IGBT模塊的小型化，采用的方法是提高IGBT的容許接合溫度。首先將把溫度從現在的150℃提高到175℃，將來計劃達到Si IGBT的理論極限——200℃。

　　通過提高接合溫度來增加功率密度時，必須要為功率模塊中的IGBT芯片采用新的封裝技術以降低熱阻。為此，該公司將采用名為“.XT”的下一代模塊技術。

　　該技術是對IGBT芯片正面和背面的安裝部分加以改進。正面的引線鍵合部分采用導熱率更高的Cu替代AL，背面則采用自主接合技術，取代通常使用錫焊的方法。

　　這樣，與過去采用錫焊時相比，導熱率和可靠性都有望提高。采用這些技術后，功率模塊（“PrimePACK”系列）的輸出電流能夠從過去的900A提高到1200A。

　　模塊的基礎部分通用

　　在IGBT模塊領域與英飛凌爭奪份額的三菱電機也發布了IGBT模塊的新技術和新產品。例如，該公司展示了面向工業設備用途的注模式 IGBT模塊新概念（圖7）。這種IGBT模塊此前一直被用于白色家電等產品，在面向家電等大量生產相同的IGBT模塊的用途中，注模式IGBT模塊“不僅品質穩定，而且生產效率高”（三菱電機）。

　　而工業設備用途主要采用的是盒式模塊。因為與家電相比，工業設備使用的模塊數量少且品種多，無法充分發揮注模式模塊生產效率高的優勢。為此，該公司創造出了使功率模塊內部安裝半導體芯片、散熱器、絕緣片的“基礎”部分實現通用化，按照用途定制模塊的外殼和端子（終端）部分，使注模式模塊也適用于少量多品種生產（注2）。

　　圖7：基礎部分通用，支持少量多品種

　　三菱電機發布了面向工業設備的注模式IGBT模塊新概念（a）。創造出了讓功率模塊內的“基礎”部分通用、按照用途定制模塊的管殼和端子部分，從而適應少量多品種生產的方法（b）。（（b）為《日經電子》根據三菱電機的資料制作）

　　（注2） 三菱電機表示，截至2013年5月底，具體規格和產品化等具體事宜尚未敲定。

　　除此之外，該公司還展示了為混合動力車和純電動汽車開發的水冷式IGBT模塊“J1系列”（圖8）。該系列包括650V/600A與 900V/400A兩款產品，特點是安裝面積只需117mm×113mm。該系列將6個IGBT元件集成于1個模塊之上，屬于“六合一”產品，與同時使用 3個集成了2個元件的該公司老式產品相比，安裝面積小了大約20％。解說員自豪地說，“在輸出性能相同的車載IGBT模塊中，安裝面積達到了業內最小水平”。據介紹，J1系列預定于2013年9月開始供應樣品，“量產最快估計也要到2015年”。

　　圖8：車用IGBT模塊安裝面積縮小約20％

　　三菱電機發布了面向車用IGBT模塊新產品“J1系列”。集成了6個IGBT元件，與使用3個集成2個元件的該公司以往產品相比，體積大約可以減少20％。

　　這一次，為了實現IGBT模塊的小型化，三菱電機改進了IGBT芯片與模塊的構造。IGBT芯片方面，車載用途過去一直采用該公司第5代產品，此次首次采用了第6代產品。模塊方面，借助與散熱片一體化的“直接水冷構造”，散熱特性比該公司以往產品提高了40％。