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百人會論壇2020|伍理勛:車規級功率半導體器件的認識和理解

2020-01-12 作者:諾一 來源:中國客車網

  2020年1月10-12日,以"把握形勢聚焦轉型引領創新"為主題,由中國電動汽車百人會精心策劃第六屆年度論壇--中國電動汽車百人會論壇(2020)在北京釣魚臺國賓館正式召開,會議繼續秉持"傳遞權威信息、廣泛展開討論、促進溝通合作"的目標,試圖幫助業界人士梳理分析產業形勢,探討及回應產業關切的問題,尋找今后3-5年產業調整的方向及路徑。

  論壇現場,中車時代電動汽車股份有限公司首席專家伍理勛發表了主題演講。

  以下為伍理勛老師的演講實錄:

中車時代電動汽車股份有限公司首席專家伍理勛

  大家好!我今天闡述一下對車規級功率半導體器件的認識和理解。

  主要從以下四個方面:

  電動汽車首先是電動化,功率半導體是汽車電動化最核心的器件,我們說是電動汽車之芯,是實現能量轉換的最核心的部件。以一個車為例,一個撤一臺控制器,用一個六單元的IGBT會用到36個芯片、240個元胞,是一個大的集成器件。我們談功率半導體的時候都會講到芯片和模塊,下面的匯報思路也是按照芯片和模塊這個思路來匯報的。

  從IGBT芯片發展現狀和發展過程可以看出來,經過多次技術迭代以后,從平面柵、構槽柵、到精細構槽柵到逆導結,性能都在不停提升和發展過程中。目前我們看到這幾個企業相關產品代次的對于關系,這其中包括中車的產品。

  除了IGBT以外,現在碳化硅也是目前行業研究的熱點,國內外都在做相關的技術研究,我們與國外的技術還是有代的差異的,包括Cree已經到第三代,中國還是第一代的水平。產業體系方面,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部件,現在我們在車規級的線上可以看到大概有三種模塊形式:第一種標準模塊,第二種是分離機械加雙面冷卻,第三種是集成化組件,都有一些相關的車企或者零部件公司都有相應的方案。

  標準模塊。我們看多比較有代表性的就是英飛凌,富士,國內中車也有相應的產品,主要特征就是Pin—Fin結構等。目前的水平單模塊可以做到100多千瓦的水平。另外一個模塊技術路線就是雙面冷卻技術路線,主要是可以降低熱阻,比普通的工業級模塊熱阻低30%到50%,平面封裝形式可以降低雜散參數、提高可靠性,下面的圖展示了雙面冷卻模塊發展的技術路線。

  碳化硅的封裝形式,目前大概兩種,一個是標準的TO封裝,還有就是類似于IGBT的封裝形式,TO封裝和標準模塊封裝各有優缺點,這里簡單列了一下,而且可以看到主要的半導體廠家都已經推出了碳化硅器件,包括中車。各種功率半導體器在汽車領域的應用我們列了一張表,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是主要的技術路線,電源產品可能更多是TO封裝這種形式,未來我們認為碳化硅、高效散熱、集成化是未來主要的技術路線和方向。

  現在車規級器件還有很多技術難點需要我們攻克。首先芯片角度,車對芯片的要求,我們概括有以下三個方面:更低成本、更高功率密度、更高工作結溫,因為這是車的應用環境所決定的。

  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品的一致性,以8英寸、12英寸為例,單片數量會增加125%。為了提高功率密度,首先是芯片性能的提升,到現在電流能力從最早的200安培/平方厘米,現在可以到350,未來可以到500。圍繞提高功率密度還有一種方法,精細溝槽刪技術做到亞微米級以后,損耗進一步降低,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IGBT都會有一個二極管,我們把二極管和IGBT結合在一起,叫逆導IGBT,還把傳感也結合在一起,可以降低損耗、提高功率密度,同時也可以提高芯片的智能化程度。

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

  模塊發展速度比芯片的發展速度慢一些,主要面臨一些問題,我們列了兩個方面:“電感—熱組”邊界效應的設計問題,還有熱功率密度提升帶來的可靠性問題。針對這些問題我們也提出了一些解決方案:第一,機電的設計,主要解決問題是降低熱組,同時把參數進一步優化。第二,讓芯片的靜態、動態的均流性進一步提升,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,主要體現在三個方面:芯片正面的互聯線、綁定線的可靠性,還有芯片背面焊接的可靠性,還有材料的適應性問題。針對第一個問題,綁定性的可靠性,我們現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的可靠性。還有一個方案是正面金屬化,通過燒結技術提高焊接的可靠性,我們有一個數據可以讓熱循環壽命提高60多萬次的水平,標準3萬次就可以。還有一個提高可靠性的方案柔性互聯技術,可以提高端子的可靠性。還有一個方案是銀/銅燒結技術,可以把熱組降低25%,可靠性可以成倍提升。

  提高IGBT環境適應性的四個方面,在灌封材料、導熱硅子都在做相應溫度的提升,能耐受到175度的環境要求。

  另外一個提高可靠性的方案,提高散熱性能。現在普遍采用的方案就是以下兩種,一個是直接水冷,另外一個就是雙面散熱技術,都可以降低熱組、提高產品的可靠性。

  除了芯片、模塊的一些難點以外,在國內產業化方面也面臨一些問題。首先是一些制造設備、關鍵材料主要依靠進口,另外是人才的短缺也是制約技術進步的一個重要方面。

  下一代IGBT發展趨勢,我們主要談以下幾個方面。

  第一,超結技術。超結IGBT技術可以比傳統IGBT技術在損耗方面進一步降低,同時可以提高MOSFET的耐壓性能。

  第二,新型半導體技術,其中最主要的就是碳化硅的技術,可以使系統都在高溫、高效、高速下運行,可以進一步優化系統設計參數。

  第三,氮化鉀,但是氮化鉀這個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結合在一起的功率半導體技術,理論上可以工作在更高的頻率,而且損耗還低。

  前面講到行業的情況,還是把中車的情況給大家做一個簡要匯報。

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

  現在主要講幾個典型的產品:這個內部叫S2模塊,可以開發出滿足50多千瓦到70千瓦的功率等級,用于A級車以下的乘用車產品,這是我們相應的IGBT和相應產品的實物圖。還有一個是S3(+)模塊,可以做到150千瓦到200千瓦的水平。商用車領域我們也推出了1200V、600A的M1模塊和HPD模塊,用于了相應的車型。目前為止我們所有這些產品市面上能夠使用的數量,在我們內部配套數量超過5萬支IGBT。

  在碳化硅研究方面,我們承擔了國家的一個項目,現在已經開發出1200V、400A的模塊,同時開發出功率密度已經做到30.8千瓦的水平,這是我們中期檢查的實際情況。

  總的來說,新能源汽車對IGBT的需求是與時俱進的,在不停地提升,對功率密度、可靠性、成本方面都提出越來越高的要求。我們認為IGBT還是有相當長的生命周期,同時碳化硅發展速度可能會超出預期。依托我們中國新能源汽車大的平臺,我們認為通過行業的共同努力,IGBT技術從跟隨到領跑這種跨越,應該在大家努力下指日可待。

  謝謝大家!

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