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                富士电机功率半导体年度的技术成果与展望

                2019-03-03 10:35:31 Westpac Electronics

                图片关键词年度的技术成果与展望.pdf

                展望 2017 年度的技术成果与展望 半导体 磁盘媒体 电子元件 电子元件 127(29) 富士电机技术期刊 2018 vol.C10 no.3 半导体 关于功率半导体,由于全球能源需求的扩大以及为了防 止全球气候变暖,打造安全、安心的可?#20013;?#21457;展社会,电力 电子技术因其能够高效利用电能,为节能、创能做贡献,而 受到人们越来越多的期待。近年来,不仅是产业设备和家电 产品,在汽车、太阳能发电、风力发电等广泛领域中,作为 电力转换元件的关键元件,功率半导体的需求正不断扩大。 富士电机的功率半导体,其能源转换效率高,多年以来,为 小型化和高性能化做出了重大贡献。


                富士电机于 1988 年 将功率半导体的代表性元件 IGBT 制作成产品,之后,为了 满足进一步高效化、小型化、高可靠性化的市场需求,富士 电机又经过几代人的努力,通过多次技术革新,实现了低损 耗化、高散热化、长寿命化等。 作为最新的 IGBT,目前已经生产出了第 7 代的 IGBT 模块产品。为适应各种用途,推出了耐压范围为 650~ 3300 V 的丰富的产品系?#23567;?#30456;较于旧产品,新的产品系列 确保了高可靠性,同时,还实现了进一步的低损耗化和小型 化,扩大了芯片的最高温度保证。同时,在小容量带,以室 内空调为目标,推出了内置了驱动 IC 和保护功能的双列直 插式结构的小容量 IPM。为扩大新系列,实现在业务用空 调上的应用,目前正在开发 50~75 A 规格的产品。

                 近些年开发的 RC-IGBT,实现了 IGBT 芯片与 FWD 芯片的一体化,有望进一步实现高密度化。富士电机运用第 7 代芯片、封装和 RC-IGBT 技术,正在积极?#24179;?#25193;大新系 列的产品,争取在相同的封装下扩大最大额定电流。 另一方面,富士电机也在?#24179;?#24320;发应用了近年来作为取 代硅的半导体材料而备受瞩目的 SiC(碳化硅)的产品。继 搭载了 SiC 沟槽型 MOSFET 芯片、耐压 1200 V 的 AllSiC 模块产品后,此次又开发了耐压 1700 V 的产品。 在电装领域,在削减汽车环境负荷的大背景下,开发出 了有助于引擎高效化、尾气清洁化的第 6.5 代车载用压力 传感器。采用了能够耐受测定压力介质中所含尾气导致的 腐蚀、油雾导致的带电的结构,追加了与故障诊断有关的输 出电压钳位功能,实现了产品体积的小型化(是第 6 代的约 48%)和 150 ℃下的动作保证。

                此外,在用于 HEV、EV 等马达驱动的车载 IGBT 方面,采用上述 RC-IGBT 技术和 富士电机独创的直接水冷结构,积极推动产品系列化。 在分立器件产品方面,为满足产业和通信设备用电 源小型和薄型化的要求,新推出了小型、薄型的贴片型 DFN8×8 封装系?#23567;?#26412;产品可在印刷基板上实现高密度安 装,通过设置子源极端子,还能够应对高速开关。开关元件 中搭载了最新系?#23567;癝uper J MOS S2 系?#23567;?#21644;“Super J MOS S2FD 系?#23567;薄?#27492;外,从节能和维护的观点出发,设 施用照明的 LED 化不断?#24179;?#38754;向设施用 LED 照明的电 源,富士电机实现了调光控制用“FA7A00Y 系?#23567;?#30340;产品 化。本产品支持各种调光用输入信号,可实现高精度、响应 快的 LED 照明的调光控制。并且,能够以较少的零部件数 量,简单地设计出符合修正后的安全标准 IEC 61347-1 的 电源。 富士电机今后将继续开发环保型功率半导体产品,不断 为实现安全、安心、可?#20013;?#21457;展的社会作出贡献。


                 磁盘媒体 随着物联网(IoT)普及的加快,存储容量的需求以 40% 的年率不断增长。硬盘驱动器(HDD)获得了以 Amazon、Google为代表的超级数据中心的主要存储器的地位, 数据中心用 HDD 的近线机种正逐渐成为 HDD 市场中的主 力产品。富士电机于 2017 年度正式启动了近线 HDD 用磁 记录介质的量产。将以高度的磁性层技术和可靠性技术开发 更大容量的 HDD,为扩大数据中心这一社会基础设施提供 帮助,为发展高度信息化社会做贡献。 2017 年度的技术成果与展望 电子元件 128(30) 富士电机技术期刊 2018 vol.C10 no.3 图1

                 Small-IPM “Large-type” 1 Small-IPM “Large-type” 近年来,面向店铺和办公室的高度节能大容量空调以 及通用变频器、伺服的市场不断扩大。富士电机正在开发 Small-IPM 的大容量型系列产品,它内置了功率器件、保 护电路和驱动电路,可简单构建用于驱动这些设备马达的变 频?#20302;常?#24182;将其集成在一个封装电路中。本产品运用了第 7 代 IGBT 技术,实现了低损耗化。并借助高耐热封装技术, 将动作温度扩大到了 150 ℃。因此,可为对象设备节能性 能的提升和电力密度的提高做出贡献。产品外形为 79×31 (mm)的小型双列直插式结构,计划从 650 V/50 A, 75 A 规格开始推出系列产品。 半导体 (a)第 6.5 代 (b)第 6 代 图2 

                车载用压力传感器 2 第 6.5 代车载用压力传感器 相关论文 :富士电机技术期刊 2018,vol.C10,no.1,p.28 现在,社会上要求汽车削减环境负荷的呼声非常强烈, 此次,富士电机开发出了有助于引擎高效化和尾气清洁化的 第 6.5 代车载用压力传感器。该产品具有对测定介质的耐 腐蚀性能和耐带电性能,并追加了输出电压钳位性能,实现 了 150 ℃下的动作保证和小型化(体积比约 48%)。其主 要特点如下 : ⑴ 产品尺寸(树脂部):W7.5×H10×D5.6(mm) ⑵ 使用温度范围 :-40 ~ +150 ℃ ⑶ 使用压力范围(进气压传感器):20 ~ 120 kPa ?#21462;?#36755;出电压(电源电压 5 V 时):0.5 ~ 4.5 V ⑸ 耐腐蚀性能 : 符合 JASO M611-92/B 法(汽油、柴 油成分) ⑹ 钳位功能 :钳位电压 0.3 V/4.7 V(typ.) 

                图?#22330; 癋A7A00Y 系?#23567;?3 LED 照明电源用调光控制用 IC“FA7A00Y 系?#23567;?受节能、长寿命观点的影响,LED 照明的市场正急速 扩大,其中,对于兼具调光功能的 LED 照明设备的需求不 断增加。因此,对于 LED 照明电源,也要求其能够满足高 精度的调光功能。并且,安全标准 IEC61347-1 修正(调 光电路的绝缘)后,电源也被要求应符合相关规定。 富士电机为满足这些要求,开发出了 LED 照明电源用 调光控制用 IC“FA7A00Y 系?#23567;薄?#20854;主要特点如下 : ⑴ 支持 3 种输入方式(DC 电压、可变电阻、PWM),输 出 Duty 与目标值之间的误差在 ±5% 范围内 ⑵ 亮度变化时的响应时间在 50 ms 以内,可实现高速响 应 ⑶ 符合安全标准 IEC 61347-1 2017 年度的技术成果与展望 电子元件 129(31)

                 富士电机技术期刊 2018 vol.C10 no.3 图?#30784;FN8×8 封装 4 DFN8×8 封装的“Super J MOS S2 系?#23567;薄ⅰ癝uper J MOS S2FD 系?#23567;?富士电机为满足电源小型和薄型化的要求,推出了全新 的贴片型封?#23433;?#21697;(DFN8×8)系?#23567;?#26412;产品为 8×8(mm) 的正方形,厚度非常薄,只有 0.85 mm,所有电极片都配 置在封装背面,相比传统的 D2-PACK,可在印刷基板上 实现更高密度的安装。在端子排列方面,通过设置子源极端 子,可将影响驱动电压的源极共模电感中产生的反电动势 控制在最小限度,同时还能支持高速开关。开关元件中搭载 了最新系?#23567;癝uper J MOS S2 系?#23567;?#21644;“Super J MOS S2FD 系?#23567;薄?#20854;主要特点如下 : ⑴ 耐压 :600 V ⑵ 导通电阻 :91 ~ 223 mΩ 半导体 适用的树脂 传统树脂 95 100 105 110 115 耐划伤性(%) 160 150 140 130 120 110 100 90 (差)← 粉体胶着耐性( %)→(良) (耐印刷特性) 图5 正电型有机感光体耐印刷特性 5

                 正电型有机感光体耐印刷特性的提升 电子照片打印机和复印机的高速化、高画质化和长寿命 化不断发展进步。这些设备上搭载的感光体是保证图像品质 的重要组件,要求具备不受各周边工艺干扰的高稳定性。特 别是接触到感光体的纸粉和碳粉的构成成分附着、堆积在感 光体表面的现象(粉体胶着)会妨碍长寿命化,因此机械性 能方面还要求具备高?#36884;?#24615;。 富士电机正在?#24179;?#24320;发可长期使用、具有稳定图像品质 的高功能有机感光体。此次,着眼于成膜起因,抑制纸粉和 碳粉构成成分的掩埋,开发出了耐划伤性更高的树脂。如此 一来,成功地将耐印刷特性改善了 50%。 图6 车载用大容量直接水冷 IGBT 模块“M660” 6 车载用大容量直接水冷 IGBT 模块“M660” 相关论文 :富士电机技术期刊 2018,vol.C10,no.1,p.15

                 富士电机希望发展在日本国内外市场不断成长的电动汽 车(EV)和混合动力汽车(HEV)中使用的 IGBT 模块的市场。 车载用 IGBT 模块被搭载于汽车有限的空间内,因此, 要求具备小型、电力密度大的特点。富士电机的车载用大 容量直接水冷 IGBT 模块,采用了散热性能出色的轻量铝制 水冷套一体化结构的冷却器。并在内部配线中使用引线框 架,在功率元件中使用 RC-IGBT(逆导型 IGBT), 从而提 升了面积效率,实现了大电力密度化。凭借这些技术,作 为通用 6 in 1 IGBT 模块,实现了世界顶?#24230;?#37327;的额定 750 V/1200 A 规格。 2017 年度的技术成果与展望 电子元件 130(32) 富士电机技术期刊 2018 vol.C10 no.3 0 16 32 48 64 80 96 112 128 内存设定值 80 70 60 50 40 30 20 10 0 软启动时间(ms) 图7 内存设定值和 IC 软启动时间的关系 7 0.18 μm 数字电源 IC 技术 富士电机开发的数字电源 IC 技术,有助于电子设备所 用开关电源的高稳定化和高效率化,并有利于客户的简化设 计和削减零部件数量。 本技术使用了 0.18 μm 的设计规则,使搭载可?#21015;?#20869; 存和数字控制电路成为了可能。并在器件菜单中增加了耐 压 40 V 的器件,实现了与模拟电路的混用。


                凭借本项技术, 富士电机提供的数字电源 IC 产品将具备模拟电路的特征即 高速响应和低耗电的性能,并且通过变更内存设定值,就能 进行 IC 特性调整和功能选择。 半导体 (a)2.5 英寸 (b)3.5 英寸 图8 磁性媒体 1 用于数据中心市场的高容量和可靠的磁性媒体 利用物联网,大数据和人工智能的第四次工业革命正在 进入高速发展阶段。它需要巨大的数据存储容量,因此对数 据存储中心的需求呈指数级增长。由于容量大,价格合理, 硬盘预?#24179;?#21344;据该市场 90%以上的容量。 富士电机已经开始批?#21487;?#20135; 2.5 英寸磁记录介质的 1 TB / 盘片,这与该行业中最高的面密度相匹配。通过使 用这项技术,富士电机进入了数据存储中心市场的 3.5 英 寸磁记录介质,并成功完成了 8 TB 硬盘的媒体开发。在 2018 年,富士电机将继续为 14 ~ 16 TB 硬盘提供更高 的面密度和更可靠的媒体开发,并将为信息社会的进步做出 贡献。

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