芯耀
2560
東芝于2023年5月24日在網上舉行了說明會，說明了包括SiC（碳化硅）在內的功率半導體和電機控制IC等車載半導體領域的重點領域相關技術動向。
東芝的半導體事業(yè)（設備&存儲解決方案部門）是一項核心業(yè)務，2022財年的全年銷售額為7971億日元，約占東芝總銷售額（3兆3617億日元）的24%。在車載半導體領域，為了實現(xiàn)逆變器、電池管理系統(tǒng)、電機控制等的省電化/高效率化，東芝正在推進功率半導體、電機驅動器、車載光電耦合器、橋式IC、精細陶瓷等開發(fā)。此次，東芝器件&存儲產品部半導體應用技術中心汽車解決方案應用技術部高級經理來島正一郎先生特別介紹了功率半導體和電機控制IC的技術趨勢。
01、最致力于硅MOSFET ，?擴大12英寸晶圓工廠
該公司的功率半導體事業(yè)以硅MOSFET為最主要事業(yè)，以低耐壓MOSFET為中心，并正在向汽車、工業(yè)和服務器應用等高增長市場推出高性能、高質量的產品，并進一步推進12英寸晶圓工廠的建立來擴大其生產能力。同時，作為一個新的擴大領域，以SiC（碳化硅）為中心的寬禁帶（WBG）功率半導體也在面向車載、服務器/通信電源、再生能源和工業(yè)設備進行開發(fā)。目前，SiC-MOSFET和肖特基勢壘二極管（SBD）提供第三代產品，GaN（氮化鎵）功率半導體也計劃在2024年開始提供。另外，硅IGBT等"傳統(tǒng)領域"也將繼續(xù)為規(guī)模較大的市場提供。
東芝的功率半導體事業(yè)戰(zhàn)略，來源:東芝軟元件&存儲
車載功率半導體以車型的電動化/電氣化為背景，正在持續(xù)擴大市場。來島先生強調了公司對這兩種產品的關注，預計到2030年低壓MOSFET和SiC產品將各占汽車功率器件市場的30%左右，并會迅速擴大。此外，由于ECU（電子控制單元）安裝數(shù)量的增加，每輛車安裝的MOSFET數(shù)量將從2020年的169個增加到2023年的267個，約為1.6倍。因此，"MOSFET作為支持汽車電氣化技術變革的器件，其重要性正在增加"。
該公司的車載低壓功率MOSFET正在提供40V系列的第9代產品，100V系列的第9~10代產品。該產品以低導通電阻/開關損耗為特點，與第8代產品相比，第9代產品的導通電阻降低了15%（與100V產品相比）。該公司為了將產品數(shù)量（包裝及特性規(guī)格）加倍，在強化產品開發(fā)的同時，通過擴大300mm晶圓工藝和擴建泰國工廠進行后端制造來擴大產能。
上=車載功率MOSFET（40~100V）路線圖/下=車載硅IGBT和SiC MOSFET路線圖
來源:東芝設備&存儲
至于硅IGBT，除了用于逆變器的750V/1200V產品外，我們目前還提供集成IGBT和二極管的第一代產品。預計2025年以后將開始提供量產為300mm的一體型第二代產品。
該公司從2022年12月開始，一直在加賀東芝電子公司的現(xiàn)有建筑中使用12英寸晶圓兼容生產線進行生產，同時還在建設一條新的12英寸生產線。新建筑的第一階段計劃在2024財政年度期間投入使用，第二階段計劃在之后進行。最終，該公司計劃將其生產能力比2021財政年度增加3.5倍。
加賀東芝電子公司的300mm晶片對應生產線建設計劃，來源:東芝設備&存儲
02、低耐壓功率 MOSFET 的開發(fā)動向
從該公司的低耐壓功率MOSFET"U-MOS系列"的基準來看，通過微細化和單元設計優(yōu)化，不僅與前代產品相比，與競爭產品相比也實現(xiàn)了較高的性能，該公司決定在第11代產品中，通過單元設計進一步優(yōu)化來提高性能。
上和中間=低耐壓功率MOSFET的特點/下=低耐壓功率MOSFET的基準，來源:東芝設備&存儲
下圖為車載用40V、80V、100V產品的開發(fā)路線圖。據該公司稱，與網上公布的100V MOSFET 競爭產品相比，2022 年開始量產的 100V 第 10 代產品實現(xiàn)了最低的導通電阻（根據公司研究），我們加速將此基本技術應用于計劃于 2025 年提供的 40V 產品來降低產品的導通電阻。
面向車載的低耐壓功率MOSFET的開發(fā)動向，來源:東芝軟元件&存儲
另外，該公司還在開發(fā)低電阻封裝，以應對芯片的高電流和低導通電阻。該公司已經發(fā)展了銅制連接器結構，并開發(fā)了具有 "銅夾結構（內部無柱結構）"的S-TOGL和L-TOGL封裝，該結構整合了封裝和連接器之間的連接，傳統(tǒng)上是焊接在一起。改進后的電流密度使得在相同的貼裝面積下可以處理更高的電流，同時在相同的電流下可以顯著減少貼裝面積。
軟件包開發(fā)路線圖，來源:東芝設備&存儲
03、車載SiC MOSFET的開發(fā)動向
關于SiC設備，該公司首先開始生產用于鐵路的SiC MOSFET模塊，其耐壓為3300V，通過SiC降低了功率損耗和小型化（與IGBT模塊相比），從2022年8月起開始批量生產650V和1200V SiC 基于相同技術的工業(yè)應用的MOSFET已于2022年8月開始量產。未來，該公司計劃在汽車領域進一步發(fā)展這項技術，從2024年起，通過引入溝槽結構，具有高性能和降低功率損耗的高質量/高可靠性器件將被部署在車載充電器中，以后還將用于變頻器。
東芝的SiC產品。以面向鐵路的技術為基礎 ， 擴展到車載 ， 來源: 東芝軟元件&存儲
公司目前正在批量生產第三代SiC MOSFET。該產品與前代產品相比，除了將顯示開關特性的性能指數(shù)Ron*Qgd削減80%外，還采用了將SBD與PN二極管并聯(lián)配置的built-in SBD結構。當二極管通電時，主要通過SBD電流流過，因此可以抑制使SiC晶體劣化的二極管電流，提高器件的可靠性。
第3代SiC MOSFET的特點，來源:東芝設備&存儲
04、將微型計算機和電機控制驅動器一體化
電機控制IC方面，正在開發(fā)SmartMCD，這是一種用于車載電機控制的LSI，集成了電機控制驅動器（MCD）和微控制器，以滿足對更緊湊和更復雜的產品日益增長的需求。該產品適用于40V耐壓左右的功率器件，目標應用產品為泵類和風扇類等。預定在2023年底至~2024年之間發(fā)布。
SmartMCD通過將微機及其外圍設備（柵極驅動器、電源、無傳感器控制）整合為一個芯片，實現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化和部件數(shù)量減少。另外，通過微型計算機的控制和可編程電機驅動器的組合，可以對各種應用程序進行高效的電機控制。預計今后汽車的E/E體系結構將向區(qū)域型轉變。
SmartMCD 概述。從左到右：系統(tǒng)小型化、矢量引擎、軟件開發(fā)環(huán)境，來源:東芝設備&存儲
此外，對于某些產品，矢量控制引擎進一步降低了CPU的負荷，有助于降低功耗。SmartMCD是一個位于CPU和硬件之間的產品，"來島先生說。該公司計劃在其越野引擎中提供基于自己算法的矢量控制模型。它還將提供自動源代碼生成工具，以減少軟件開發(fā)的負擔。
該公司還提供Accu-ROM，這是一種熱/噪聲仿真技術，可以減少驗證車載功率半導體運行的時間，使用這項技術，可以在大約 3 小時 30 分鐘內完成對車載半導體的熱量和 EMI 噪聲的模擬，而使用傳統(tǒng)技術需要大約 33 個小時。Accu-ROM 被集成到 Ansys 的仿真工具“TwinBuilder”中，使東芝的產品能夠得到驗證。
車載用功率半導體的熱/噪聲模擬技術"Accu-ROM"，來源:東芝軟元件&存儲
