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東芝于2023年5月24日在網(wǎng)上舉行了說明會(huì)，說明了包括SiC（碳化硅）在內(nèi)的功率半導(dǎo)體和電機(jī)控制IC等車載半導(dǎo)體領(lǐng)域的重點(diǎn)領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)動(dòng)向。
東芝的半導(dǎo)體事業(yè)（設(shè)備&存儲(chǔ)解決方案部門）是一項(xiàng)核心業(yè)務(wù)，2022財(cái)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(dǎo)體領(lǐng)域，為了實(shí)現(xiàn)逆變器、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)控制等的省電化/高效率化，東芝正在推進(jìn)功率半導(dǎo)體、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、車載光電耦合器、橋式IC、精細(xì)陶瓷等開發(fā)。此次，東芝器件&存儲(chǔ)產(chǎn)品部半導(dǎo)體應(yīng)用技術(shù)中心汽車解決方案應(yīng)用技術(shù)部高級(jí)經(jīng)理來島正一郎先生特別介紹了功率半導(dǎo)體和電機(jī)控制IC的技術(shù)趨勢(shì)。
01、最致力于硅MOSFET ，?擴(kuò)大12英寸晶圓工廠
該公司的功率半導(dǎo)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(wù)器應(yīng)用等高增長(zhǎng)市場(chǎng)推出高性能、高質(zhì)量的產(chǎn)品，并進(jìn)一步推進(jìn)12英寸晶圓工廠的建立來擴(kuò)大其生產(chǎn)能力。同時(shí)，作為一個(gè)新的擴(kuò)大領(lǐng)域，以SiC（碳化硅）為中心的寬禁帶（WBG）功率半導(dǎo)體也在面向車載、服務(wù)器/通信電源、再生能源和工業(yè)設(shè)備進(jìn)行開發(fā)。目前，SiC-MOSFET和肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）提供第三代產(chǎn)品，GaN（氮化鎵）功率半導(dǎo)體也計(jì)劃在2024年開始提供。另外，硅IGBT等"傳統(tǒng)領(lǐng)域"也將繼續(xù)為規(guī)模較大的市場(chǎng)提供。
東芝的功率半導(dǎo)體事業(yè)戰(zhàn)略，來源:東芝軟元件&存儲(chǔ)
車載功率半導(dǎo)體以車型的電動(dòng)化/電氣化為背景，正在持續(xù)擴(kuò)大市場(chǎng)。來島先生強(qiáng)調(diào)了公司對(duì)這兩種產(chǎn)品的關(guān)注，預(yù)計(jì)到2030年低壓MOSFET和SiC產(chǎn)品將各占汽車功率器件市場(chǎng)的30%左右，并會(huì)迅速擴(kuò)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(gè)增加到2023年的267個(gè)，約為1.6倍。因此，"MOSFET作為支持汽車電氣化技術(shù)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(chǎn)品，100V系列的第9~10代產(chǎn)品。該產(chǎn)品以低導(dǎo)通電阻/開關(guān)損耗為特點(diǎn)，與第8代產(chǎn)品相比，第9代產(chǎn)品的導(dǎo)通電阻降低了15%（與100V產(chǎn)品相比）。該公司為了將產(chǎn)品數(shù)量（包裝及特性規(guī)格）加倍，在強(qiáng)化產(chǎn)品開發(fā)的同時(shí)，通過擴(kuò)大300mm晶圓工藝和擴(kuò)建泰國(guó)工廠進(jìn)行后端制造來擴(kuò)大產(chǎn)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(shè)備&存儲(chǔ)
至于硅IGBT，除了用于逆變器的750V/1200V產(chǎn)品外，我們目前還提供集成IGBT和二極管的第一代產(chǎn)品。預(yù)計(jì)2025年以后將開始提供量產(chǎn)為300mm的一體型第二代產(chǎn)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(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)，同時(shí)還在建設(shè)一條新的12英寸生產(chǎn)線。新建筑的第一階段計(jì)劃在2024財(cái)政年度期間投入使用，第二階段計(jì)劃在之后進(jìn)行。最終，該公司計(jì)劃將其生產(chǎn)能力比2021財(cái)政年度增加3.5倍。
加賀東芝電子公司的300mm晶片對(duì)應(yīng)生產(chǎn)線建設(shè)計(jì)劃，來源:東芝設(shè)備&存儲(chǔ)
02、低耐壓功率 MOSFET 的開發(fā)動(dòng)向
從該公司的低耐壓功率MOSFET"U-MOS系列"的基準(zhǔn)來看，通過微細(xì)化和單元設(shè)計(jì)優(yōu)化，不僅與前代產(chǎn)品相比，與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品相比也實(shí)現(xiàn)了較高的性能，該公司決定在第11代產(chǎn)品中，通過單元設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化來提高性能。
上和中間=低耐壓功率MOSFET的特點(diǎn)/下=低耐壓功率MOSFET的基準(zhǔn)，來源:東芝設(shè)備&存儲(chǔ)
下圖為車載用40V、80V、100V產(chǎn)品的開發(fā)路線圖。據(jù)該公司稱，與網(wǎng)上公布的100V MOSFET 競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品相比，2022 年開始量產(chǎn)的 100V 第 10 代產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了最低的導(dǎo)通電阻（根據(jù)公司研究），我們加速將此基本技術(shù)應(yīng)用于計(jì)劃于 2025 年提供的 40V 產(chǎn)品來降低產(chǎn)品的導(dǎo)通電阻。
面向車載的低耐壓功率MOSFET的開發(fā)動(dòng)向，來源:東芝軟元件&存儲(chǔ)
另外，該公司還在開發(fā)低電阻封裝，以應(yīng)對(duì)芯片的高電流和低導(dǎo)通電阻。該公司已經(jīng)發(fā)展了銅制連接器結(jié)構(gòu)，并開發(fā)了具有 "銅夾結(jié)構(gòu)（內(nèi)部無柱結(jié)構(gòu)）"的S-TOGL和L-TOGL封裝，該結(jié)構(gòu)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(jìn)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(shí)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(shè)備&存儲(chǔ)
03、車載SiC MOSFET的開發(fā)動(dòng)向
關(guān)于SiC設(shè)備，該公司首先開始生產(chǎn)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(chǎn)650V和1200V SiC 基于相同技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用的MOSFET已于2022年8月開始量產(chǎn)。未來，該公司計(jì)劃在汽車領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)，從2024年起，通過引入溝槽結(jié)構(gòu)，具有高性能和降低功率損耗的高質(zhì)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(chǎn)品。以面向鐵路的技術(shù)為基礎(chǔ) ， 擴(kuò)展到車載 ， 來源: 東芝軟元件&存儲(chǔ)
公司目前正在批量生產(chǎn)第三代SiC MOSFET。該產(chǎn)品與前代產(chǎn)品相比，除了將顯示開關(guān)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(jié)構(gòu)。當(dāng)二極管通電時(shí)，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(diǎn)，來源:東芝設(shè)備&存儲(chǔ)
04、將微型計(jì)算機(jī)和電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器一體化
電機(jī)控制IC方面，正在開發(fā)SmartMCD，這是一種用于車載電機(jī)控制的LSI，集成了電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器（MCD）和微控制器，以滿足對(duì)更緊湊和更復(fù)雜的產(chǎn)品日益增長(zhǎng)的需求。該產(chǎn)品適用于40V耐壓左右的功率器件，目標(biāo)應(yīng)用產(chǎn)品為泵類和風(fēng)扇類等。預(yù)定在2023年底至~2024年之間發(fā)布。
SmartMCD通過將微機(jī)及其外圍設(shè)備（柵極驅(qū)動(dòng)器、電源、無傳感器控制）整合為一個(gè)芯片，實(shí)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(jì)算機(jī)的控制和可編程電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的組合，可以對(duì)各種應(yīng)用程序進(jìn)行高效的電機(jī)控制。預(yù)計(jì)今后汽車的E/E體系結(jié)構(gòu)將向區(qū)域型轉(zhuǎn)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(shè)備&存儲(chǔ)
此外，對(duì)于某些產(chǎn)品，矢量控制引擎進(jìn)一步降低了CPU的負(fù)荷，有助于降低功耗。SmartMCD是一個(gè)位于CPU和硬件之間的產(chǎn)品，"來島先生說。該公司計(jì)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(dòng)源代碼生成工具，以減少軟件開發(fā)的負(fù)擔(dān)。
該公司還提供Accu-ROM，這是一種熱/噪聲仿真技術(shù)，可以減少驗(yàn)證車載功率半導(dǎo)體運(yùn)行的時(shí)間，使用這項(xiàng)技術(shù)，可以在大約 3 小時(shí) 30 分鐘內(nèi)完成對(duì)車載半導(dǎo)體的熱量和 EMI 噪聲的模擬，而使用傳統(tǒng)技術(shù)需要大約 33 個(gè)小時(shí)。Accu-ROM 被集成到 Ansys 的仿真工具“TwinBuilder”中，使東芝的產(chǎn)品能夠得到驗(yàn)證。
車載用功率半導(dǎo)體的熱/噪聲模擬技術(shù)"Accu-ROM"，來源:東芝軟元件&存儲(chǔ)
