活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司首席專家伍理勛發(fā)表了演講。

 

 

以下為演講實(shí)錄：

 

大家好！我今天闡述一下對(duì)車規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)體器件的認(rèn)識(shí)和理解。要從以下四個(gè)方面：

 

電動(dòng)汽車首先是電動(dòng)化，功率半導(dǎo)體是汽車電動(dòng)化最核心的器件，我們說是電動(dòng)汽車之芯，是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的最核心的部件。以一個(gè)車為例，一個(gè)撤一臺(tái)控制器，用一個(gè)六單元的IGBT會(huì)用到36個(gè)芯片、240個(gè)元胞，是一個(gè)大的集成器件。我們談功率半導(dǎo)體的時(shí)候都會(huì)講到芯片和模塊，下面的匯報(bào)思路也是按照芯片和模塊這個(gè)思路來匯報(bào)的。

 

從IGBT芯片發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展過程可以看出來，經(jīng)過多次技術(shù)迭代以后，從平面柵、構(gòu)槽柵、到精細(xì)構(gòu)槽柵到逆導(dǎo)結(jié)，性能都在不停提升和發(fā)展過程中。目前我們看到這幾個(gè)企業(yè)相關(guān)產(chǎn)品代次的對(duì)于關(guān)系，這其中包括中車的產(chǎn)品。

 

除了IGBT以外，現(xiàn)在碳化硅也是目前行業(yè)研究的熱點(diǎn)，國內(nèi)外都在做相關(guān)的技術(shù)研究，我們與國外的技術(shù)還是有代的差異的，包括Cree已經(jīng)到第三代，中國還是第一代的水平。產(chǎn)業(yè)體系方面，國外6英寸、8英寸，中國可能還在4英寸的水平。芯片以外就是模塊。模塊就是把芯片封裝成一個(gè)部件，現(xiàn)在我們?cè)谲囈?guī)級(jí)的線上可以看到大概有三種模塊形式：第一種標(biāo)準(zhǔn)模塊，第二種是分離機(jī)械加雙面冷卻，第三種是集成化組件，都有一些相關(guān)的車企或者零部件公司都有相應(yīng)的方案。

 

標(biāo)準(zhǔn)模塊。我們看多比較有代表性的就是英飛凌，富士，國內(nèi)中車也有相應(yīng)的產(chǎn)品，主要特征就是Pin—Fin結(jié)構(gòu)等。目前的水平單模塊可以做到100多千瓦的水平。另外一個(gè)模塊技術(shù)路線就是雙面冷卻技術(shù)路線，主要是可以降低熱阻，比普通的工業(yè)級(jí)模塊熱阻低30%到50%，平面封裝形式可以降低雜散參數(shù)、提高可靠性，下面的圖展示了雙面冷卻模塊發(fā)展的技術(shù)路線。

 

碳化硅的封裝形式，目前大概兩種，一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)的TO封裝，還有就是類似于IGBT的封裝形式，TO封裝和標(biāo)準(zhǔn)模塊封裝各有優(yōu)缺點(diǎn)，這里簡(jiǎn)單列了一下，而且可以看到主要的半導(dǎo)體廠家都已經(jīng)推出了碳化硅器件，包括中車。各種功率半導(dǎo)體器在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用我們列了一張表，商用車、乘用車、車載便流器可能有不同的應(yīng)用要求。比如說商用車，大部分目前為止還是平板散熱這種方式，乘用車雙面冷卻和Pin—Fin是主要的技術(shù)路線，電源產(chǎn)品可能更多是TO封裝這種形式，未來我們認(rèn)為碳化硅、高效散熱、集成化是未來主要的技術(shù)路線和方向。

 

現(xiàn)在車規(guī)級(jí)器件還有很多技術(shù)難點(diǎn)需要我們攻克。首先芯片角度，車對(duì)芯片的要求，我們概括有以下三個(gè)方面：更低成本、更高功率密度、更高工作結(jié)溫，因?yàn)檫@是車的應(yīng)用環(huán)境所決定的。

 

圍繞解決成本的問題，主要思路是把晶圓做到，從4英寸、6英寸，到8英寸、到12英寸，都是降低成本的手段。大尺寸晶圓可以提升產(chǎn)品的一致性，以8英寸、12英寸為例，單片數(shù)量會(huì)增加125%。為了提高功率密度，首先是芯片性能的提升，到現(xiàn)在電流能力從最早的200安培/平方厘米，現(xiàn)在可以到350，未來可以到500。圍繞提高功率密度還有一種方法，精細(xì)溝槽刪技術(shù)做到亞微米級(jí)以后，損耗進(jìn)一步降低，也是提高功率的有效手段。還有把晶圓做薄，越薄熱阻越低、損耗越低，從85uM降到65uM，損耗可以降低20%。

 

把芯片集成也可以提供功率密度，一般知道一個(gè)IGBT都會(huì)有一個(gè)二極管，我們把二極管和IGBT結(jié)合在一起，叫逆導(dǎo)IGBT，還把傳感也結(jié)合在一起，可以降低損耗、提高功率密度，同時(shí)也可以提高芯片的智能化程度。

 

為了提高IGBT的環(huán)境適應(yīng)性，提高工作溫度也是必須解決的問題，提高溫度的適應(yīng)性主要兩個(gè)方案，一個(gè)是采用新型的終端材料，另外一個(gè)是采用新型器件。

 

模塊發(fā)展速度比芯片的發(fā)展速度慢一些，主要面臨一些問題，我們列了兩個(gè)方面：“電感—熱組”邊界效應(yīng)的設(shè)計(jì)問題，還有熱功率密度提升帶來的可靠性問題。針對(duì)這些問題我們也提出了一些解決方案：第一，機(jī)電的設(shè)計(jì)，主要解決問題是降低熱組，同時(shí)把參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化。第二，讓芯片的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的均流性進(jìn)一步提升，讓溫度分布更加均勻。

 

另外，提高功率密度帶來的可靠性問題，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：芯片正面的互聯(lián)線、綁定線的可靠性，還有芯片背面焊接的可靠性，還有材料的適應(yīng)性問題。針對(duì)第一個(gè)問題，綁定性的可靠性，我們現(xiàn)在主要解決方案是采用平面鍵合的方案，可以有效的提高連接端子互聯(lián)的可靠性。還有一個(gè)方案是正面金屬化，通過燒結(jié)技術(shù)提高焊接的可靠性，我們有一個(gè)數(shù)據(jù)可以讓熱循環(huán)壽命提高60多萬次的水平，標(biāo)準(zhǔn)3萬次就可以。還有一個(gè)提高可靠性的方案柔性互聯(lián)技術(shù)，可以提高端子的可靠性。還有一個(gè)方案是銀/銅燒結(jié)技術(shù)，可以把熱組降低25%，可靠性可以成倍提升。

 

提高IGBT環(huán)境適應(yīng)性的四個(gè)方面，在灌封材料、導(dǎo)熱硅子都在做相應(yīng)溫度的提升，能耐受到175度的環(huán)境要求。

 

另外一個(gè)提高可靠性的方案，提高散熱性能。現(xiàn)在普遍采用的方案就是以下兩種，一個(gè)是直接水冷，另外一個(gè)就是雙面散熱技術(shù)，都可以降低熱組、提高產(chǎn)品的可靠性。

 

除了芯片、模塊的一些難點(diǎn)以外，在國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化方面也面臨一些問題。首先是一些制造設(shè)備、關(guān)鍵材料主要依靠進(jìn)口，另外是人才的短缺也是制約技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)重要方面。

 

下一代IGBT發(fā)展趨勢(shì)，我們主要談以下幾個(gè)方面：

 

第一，超結(jié)技術(shù)。超結(jié)IGBT技術(shù)可以比傳統(tǒng)IGBT技術(shù)在損耗方面進(jìn)一步降低，同時(shí)可以提高M(jìn)OSFET的耐壓性能。

 

第二，新型半導(dǎo)體技術(shù)，其中最主要的就是碳化硅的技術(shù)，可以使系統(tǒng)都在高溫、高效、高速下運(yùn)行，可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)。

 

第三，氮化鉀，但是氮化鉀這個(gè)外延生成的形式很難大電流，變流器功還是更多使用碳化硅。

 

第四，硅基IGBT和SIC MOSFET結(jié)合在一起的功率半導(dǎo)體技術(shù)，理論上可以工作在更高的頻率，而且損耗還低。

 

前面講到行業(yè)的情況，還是把中車的情況給大家做一個(gè)簡(jiǎn)要匯報(bào)。

 

中車IGBT研究有十多年的歷史，但是半導(dǎo)體的研究有幾十年的歷史。汽車級(jí)IGBT研究是從2010年開始的，通過這幾年研發(fā)已經(jīng)推出了很多應(yīng)用于汽車的IGBT。芯片能力從2008年并購Dynex開始已經(jīng)到了第六代。模塊封裝方面，我們也做了多種形式，滿足不同環(huán)境的要求，包括半橋、全橋的模塊都有，也有相應(yīng)的雙面冷卻模塊，最大電流可以做到1000安培。產(chǎn)品型譜里面，涵蓋了30千瓦到200千瓦的產(chǎn)品需求。

 

現(xiàn)在主要講幾個(gè)典型的產(chǎn)品：這個(gè)內(nèi)部叫S2模塊，可以開發(fā)出滿足50多千瓦到70千瓦的功率等級(jí)，用于A級(jí)車以下的乘用車產(chǎn)品，這是我們相應(yīng)的IGBT和相應(yīng)產(chǎn)品的實(shí)物圖。還有一個(gè)是S3（+）模塊，可以做到150千瓦到200千瓦的水平。商用車領(lǐng)域我們也推出了1200V、600A的M1模塊和HPD模塊，用于了相應(yīng)的車型。目前為止我們所有這些產(chǎn)品市面上能夠使用的數(shù)量，在我們內(nèi)部配套數(shù)量超過5萬支IGBT。

 

在碳化硅研究方面，我們承擔(dān)了國家的一個(gè)項(xiàng)目，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出1200V、400A的模塊，同時(shí)開發(fā)出功率密度已經(jīng)做到30.8千瓦的水平，這是我們中期檢查的實(shí)際情況。

 

總的來說，新能源汽車對(duì)IGBT的需求是與時(shí)俱進(jìn)的，在不停地提升，對(duì)功率密度、可靠性、成本方面都提出越來越高的要求。我們認(rèn)為IGBT還是有相當(dāng)長(zhǎng)的生命周期，同時(shí)碳化硅發(fā)展速度可能會(huì)超出預(yù)期。依托我們中國新能源汽車大的平臺(tái)，我們認(rèn)為通過行業(yè)的共同努力，IGBT技術(shù)從跟隨到領(lǐng)跑這種跨越，應(yīng)該在大家努力下指日可待。