第3讲：DIPIPM™的历史及未来发展
发布日期：2022-07-29 16:45浏览次数：15217
讲座导语
DIPIPM™是双列直插型智能功率模块的简称，由三菱电机于1997年正式推向市场，迄今已在家电、工业和汽车空调等领域获得广泛应用。本讲座主要介绍DIPIPM™的基础、功能、应用和失效分析技巧，旨在帮助读者全面了解并正确使用该产品
1.3 DIPIPM™的历史及未来发展
1.3.1 DIPIPM™诞生的历史背景
功率半导体器件进化和发展的动力源自于人类对于电气设备及其电力变换装置的高性能、低成本、易使用等要素的不懈追求。具体到DIPIPM™*1，则与变频空调的诞生和发展密切相关。早在1980年变频技术首先被应用到空调上，这是空调发展史上一个重要的里程碑。相对于传统的定速电机方式，变频方式通过PWM*2调制波来控制功率器件的开通和关断，进而控制加在电机上的电压来实现对电机转速的控制，从而实现了制冷和制热（温度）的自由调节。变频方式不但能带来更好的舒适性，同时也带来了节能省电的优点。这一时期变频空调控制器采用的主要是分立器件或IPM*3方案。之后在1993年，日本开始实施变频空调节能法，日本空调厂商展开了节能空调产品的激烈竞争，这不但提升了空调的节能性能，也促进了变频空调的普及化。同时也对功率模块在节能、小型化等方面提出了更新的要求。空调行业的发展趋势要求功率模块不仅需要提高内置功率器件的效率，减小产品的封装尺寸，而且要在保证高度安全可靠的同时实现产品的低价格。这对功率模块的内置芯片工艺、封装工艺以及内置功能提出了非常高的要求。由于变频空调控制器的分立方案太过复杂，而传统IPM方案成本太高，为了解决这个问题，三菱电机创新性地推出了双列直插型智能功率模块DIPIPM™，并在1997年开始了批量生产。DIPIPM™内置了高耐压驱动芯片，不但可以实现单电源IGBT*4驱动，使高开关速度成为了可能，提高了功率模块的效率，而且集成了欠压、过温、过流等保护功能，大大降低了空调变频控制器的设计难度，大幅度地减小了空调变频控制器的体积，同时也进一步提高了变频空调的可靠性。图1给出了三菱电机双列直插型智能功率模块（DIPIPM™）产品内部结构及电气原理图。由图1可以看出，相比较传统的IPM，DIPIPM™采用了压注模封装工艺，成本更低、生产效率更高；内置了HVIC、LVIC驱动芯片，PWM驱动信号可以不通过光耦而直接连接到MCU输出端口；上桥臂电路采用自举方式供电，只需要单路15V电源即可。
DIPIPM™满足了空调等家电行业对进一步简化外围电路、产品体积小型化以及低成本的要求，促进了节能变频空调、变频洗衣机、变频冰箱等变频家电的普及，逐渐成为家电变频控制器的主流功率半导体器件。
三菱电机从把DIPIPM™推向市场开始，为满足变频空调等家电设备对功率元器件特性要求的不断提高（功耗，成本，体积等），对DIPIPM™的内置IGBT芯片以及封装技术进行不断改进。首先是IGBT芯片技术的变迁，IGBT芯片是DIPIPM™最重要的功率元器件，从早期三代的平面型IGBT，到第四代沟槽型IGBT，三菱电机一直在IGBT芯片的半导体结构和生产工艺上不断地进行创新，芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗等各项指标经历了不断的优化，性能也得到稳步提升。图2展示了三菱电机IGBT芯片技术的发展路线。封装技术直接影响着功率器件的整体性能和可靠性，与对芯片技术的不断探索一样，三菱电机对改善封装技术孜孜以求，臻于至善。DIPIPM™的封装技术不断取得进步，在做到产品成本越来越低、生产效率越来越高的同时，DIPIPM™的性能表现稳步提高。同时也通过材料的节省以及包装材料的减少间接达到了减少资源消耗、节能和环保的目的。图3展示的是三菱电机DIPIPM™模块封装技术的发展。自从1997年第1代DIPIPM™诞生以来，伴随着IGBT芯片一代一代技术的发展和封装技术的不断改进，三菱电机也对DIPIPM™产品不断进行升级换代，至今已发展至第7代DIPIPM™，封装形式也从大型发展到小型、超小型、SLIMDIP™乃至SOPIPM™和DIPIPM+™，不断致力于为客户提供更高能效、更高集成度、更完善智能化、更高功率密度、更高性价比的产品。目前三菱电机DIPIPM™家族旗下拥有七大系列产品：SOPIPM™、SLIMDIP™、Super mini、Mini、Large、DIPIPM+™和Large DIPIPM+™，如图4所示。客户可以根据实际需求选择最合适、性价比最高的产品。中国的变频空调市场从1996~1997年开始启动，起初采用的是三菱电机的IPM产品，大约在2001年三菱电机开始向中国变频空调厂家推广DIPIPM™并取得了成功。得益于在日本市场的良好表现，三菱电机DIPIPM™在国内很快得到了客户的广泛认可。随着中国市场对DIPIPM™模块的需求迅速增长，三菱电机也适时对产品进行了系列升级，市场份额也随之不断提升。从第3代大型和小型DIPIPM™到第4代超小型产品，再到第5代/第6代超小型产品以及最新的SLIMDIP™、SOPIPM™和Large DIPIPM+™产品。在产品设计上充分考虑了中国客户的需求，比如增加了温度输出功能、内置自举二级管以及提高短路保护电流的精度等等。三菱电机一直致力于变频家电领域的发展。自发货以来截止到目前，DIPIPM™产品累计出货已经超过10亿片。与家电领域相比，工业领域相对来说应用环境更为恶劣，对模块的绝缘耐压和过载倍数要求更高。由于三菱电机在设计之初就充分考虑产品应用的兼容性，使得产品应用不局限在某一领域，比如三菱电机的大型DIPIPM™、小型DIPIPM™不仅在家电领域同样在工业领域也得到了广泛应用，获得了不同应用领域客户的认可。另外针对特殊领域，例如发展潜力巨大的电动汽车领域，三菱电机大型DIPIPM™已经通过相关的AEC-Q认证，以满足中国电动汽车领域客户的更高要求。最近三菱电机又推出了结温高达175℃、整体噪声比上一代低约10dB的第7代超小型DIPIPM™产品，适合EMI*5要求高、对电流过载倍数要求高的工业领域。作为小功率变频应用的主流器件，DIPIPM™的技术还在不断发展。一方面是基于现有的Si衬底的IGBT芯片性能会取得进一步的提升，另一方面，相较于Si材料，SiC材料的禁带宽度更大，在击穿电场强度、饱和电子漂移速率、热导率以及抗辐射等关键参数方面有显著优势。基于这些优良特性，SiC器件可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求。尽管现在SiC衬底成本高昂，并且由于后续晶圆制造、封装良率较低，导致SiC器件整体成本仍处于较高水平。未来随着全球半导体厂商加速研发及扩产，生产工艺和技术日趋成熟，将有效降低SiC器件成本。基于SiC技术的DIPIPM™也将会逐步批量使用，以其远优于Si材料的特性来实现大幅节能和安装产品的小型化、轻量化。三菱电机早在20多年前就开始了针对SiC技术的研究。在2000年研发出多种基于SiC的基础工艺技术，此后三菱电机SiC功率器件在不同的应用领域中先后树立了丰碑。早在2010年三菱电机就向市场上推出了混合型SiC DIPIPM™，应用于变频空调中；并于2016年将基于三菱电机第2代SiC MOSFET*6芯片技术的全SiC DIPIPM™产品实现了商业化应用，获得了客户的好评。目前，三菱电机即将完成第3代沟槽栅型SiC MOSFET芯片的研发工作，相信不久的将来基于此新一代SiC MOSFET芯片的DIPIPM™产品也会面市，以满足客户对更好性能的追求。未来三菱电机将持续保持对SiC技术的深入研究，把“Changes for the better”的企业理念化为实际行动，践行“精于节能，尽心环保”的绿色研发生产，为社会的可持续发展和节能减排贡献力量。在接下来的章节中，我们将重点围绕三菱电机的DIPIPM™产品和应用等方面进行详细介绍，下面的内容更精彩，敬请期待！
1） 智能功率模块的技术变迁为变频空调的节能环保做出了重要贡献。2） DIPIPM™集成了IGBT等功率芯片和用于IGBT驱动和保护的控制IC，产品体积小、成本低、可靠性高、外围电路设计简单。3） 三菱电机对其DIPIPM™内置IGBT芯片以及封装技术进行技术创新和迭代升级，目前三菱电机的IGBT技术已经发展到第七代。4） 三菱电机DIPIPM™在国内外得到客户的广泛认可，在变频家电领域占据举足轻重的重要地位。5） 目前SiC器件由于成本高昂尚未大规模使用，但由于其优良的特性未来将是功率半导体主流产品。6） 三菱电机深耕SiC领域多年，技术储备完善。未来将持续创新和研发，开发出更多基于SiC的新型DIPIPM™。
*号术语列表：
*1. DIPIPM：双列直插型智能功率模块（Dual In-line Package Intelligent Power Module）；DIPIPM™是三菱电机株式会社注册商标
*2. PWM：脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）
*3. IPM: 智能功率模块（ Intelligent Power Module）
*4. IGBT：绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor）
*5. EMI：电磁干扰（Electromagnetic Interference）
*6. MOSFET：金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）
[1]袁立强，赵争鸣，宋高升，王正元；《电力半导体器件原理与应用》
[2]梁小广，商明，何洪涛，李衍；《智能功率模块对空调产品节能环保的贡献》
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