中车时代伍理勋:车规级功率半导体的现状和发展趋势

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    中车时代伍理勋:车规级功率半导体的现状和发展趋势

    汽车俱乐部Plus 今天

    1月10-12日,2020中国电动汽车百人会论坛在钓鱼台国宾馆正式召开。12日,召开新一代汽车核心技术论坛,以下是实录:

     

     

     

    中车时代电动汽车股份有限公司首席专家伍理勋

     

    大家好!我今天阐述一下对车规级功率半导体器件的认识和理解。

     

    主要从以下四个方面:

     

    电动汽车首先是电动化,功率半导体是汽车电动化最核心的器件,我们说是电动汽车之芯,是实现能量转换的最核心的部件。以一个车为例,一个撤一台控制器,用一个六单元的IGBT会用到36个芯片、240个元胞,是一个大的集成器件。我们谈功率半导体的时候都会讲到芯片和模块,下面的汇报思路也是按照芯片和模块这个思路来汇报的。

     

     

     

    从IGBT芯片发展现状和发展过程可以看出来,经过多次技术迭代以后,从平面栅、构槽栅、到精细构槽栅到逆导结,性能都在不停提升和发展过程中。目前我们看到这几个企业相关产品代次的对于关系,这其中包括中车的产品。

     

    除了IGBT以外,现在碳化硅也是目前行业研究的热点,国内外都在做相关的技术研究,我们与国外的技术还是有代的差异的,包括Cree已经到第三代,中国还是第一代的水平。产业体系方面,国外6英寸、8英寸,中国可能还在4英寸的水平。芯片以外就是模块。模块就是把芯片封装成一个部件,现在我们在车规级的线上可以看到大概有三种模块形式:第一种标准模块,第二种是分离机械加双面冷却,第三种是集成化组件,都有一些相关的车企或者零部件公司都有相应的方案。

     

    标准模块。我们看多比较有代表性的就是英飞凌,富士,国内中车也有相应的产品,主要特征就是Pin—Fin结构等。目前的水平单模块可以做到100多千瓦的水平。另外一个模块技术路线就是双面冷却技术路线,主要是可以降低热阻,比普通的工业级模块热阻低30%到50%,平面封装形式可以降低杂散参数、提高可靠性,下面的图展示了双面冷却模块发展的技术路线。

     

    碳化硅的封装形式,目前大概两种,一个是标准的TO封装,还有就是类似于IGBT的封装形式,TO封装和标准模块封装各有优缺点,这里简单列了一下,而且可以看到主要的半导体厂家都已经推出了碳化硅器件,包括中车。各种功率半导体器在汽车领域的应用我们列了一张表,商用车、乘用车、车载便流器可能有不同的应用要求。比如说商用车,大部分目前为止还是平板散热这种方式,乘用车双面冷却和Pin—Fin是主要的技术路线,电源产品可能更多是TO封装这种形式,未来我们认为碳化硅、高效散热、集成化是未来主要的技术路线和方向。

     

    现在车规级器件还有很多技术难点需要我们攻克。首先芯片角度,车对芯片的要求,我们概括有以下三个方面:更低成本、更高功率密度、更高工作结温,因为这是车的应用环境所决定的。

     

    围绕解决成本的问题,主要思路是把晶圆做到,从4英寸、6英寸,到8英寸、到12英寸,都是降低成本的手段。大尺寸晶圆可以提升产品的一致性,以8英寸、12英寸为例,单片数量会增加125%。为了提高功率密度,首先是芯片性能的提升,到现在电流能力从最早的200安培/平方厘米,现在可以到350,未来可以到500。围绕提高功率密度还有一种方法,精细沟槽删技术做到亚微米级以后,损耗进一步降低,也是提高功率的有效手段。还有把晶圆做薄,越薄热阻越低、损耗越低,从85uM降到65uM,损耗可以降低20%。

     

    把芯片集成也可以提供功率密度,一般知道一个IGBT都会有一个二极管,我们把二极管和IGBT结合在一起,叫逆导IGBT,还把传感也结合在一起,可以降低损耗、提高功率密度,同时也可以提高芯片的智能化程度。

     

    为了提高IGBT的环境适应性,提高工作温度也是必须解决的问题,提高温度的适应性主要两个方案,一个是采用新型的终端材料,另外一个是采用新型器件。

     

    模块发展速度比芯片的发展速度慢一些,主要面临一些问题,我们列了两个方面:“电感—热组”边界效应的设计问题,还有热功率密度提升带来的可靠性问题。针对这些问题我们也提出了一些解决方案:第一,机电的设计,主要解决问题是降低热组,同时把参数进一步优化。第二,让芯片的静态、动态的均流性进一步提升,让温度分布更加均匀。

     

    另外,提高功率密度带来的可靠性问题,主要体现在三个方面:芯片正面的互联线、绑定线的可靠性,还有芯片背面焊接的可靠性,还有材料的适应性问题。针对第一个问题,绑定性的可靠性,我们现在主要解决方案是采用平面键合的方案,可以有效的提高连接端子互联的可靠性。还有一个方案是正面金属化,通过烧结技术提高焊接的可靠性,我们有一个数据可以让热循环寿命提高60多万次的水平,标准3万次就可以。还有一个提高可靠性的方案柔性互联技术,可以提高端子的可靠性。还有一个方案是银/铜烧结技术,可以把热组降低25%,可靠性可以成倍提升。

     

    提高IGBT环境适应性的四个方面,在灌封材料、导热硅子都在做相应温度的提升,能耐受到175度的环境要求。

     

    另外一个提高可靠性的方案,提高散热性能。现在普遍采用的方案就是以下两种,一个是直接水冷,另外一个就是双面散热技术,都可以降低热组、提高产品的可靠性。

     

    除了芯片、模块的一些难点以外,在国内产业化方面也面临一些问题。首先是一些制造设备、关键材料主要依靠进口,另外是人才的短缺也是制约技术进步的一个重要方面。

     

    下一代IGBT发展趋势,我们主要谈以下几个方面。

     

    第一,超结技术。超结IGBT技术可以比传统IGBT技术在损耗方面进一步降低,同时可以提高MOSFET的耐压性能。

     

    第二,新型半导体技术,其中最主要的就是碳化硅的技术,可以使系统都在高温、高效、高速下运行,可以进一步优化系统设计参数。

     

    第三,氮化钾,但是氮化钾这个外延生成的形式很难大电流,变流器功还是更多使用碳化硅。

     

    第四,硅基IGBT和SIC MOSFET结合在一起的功率半导体技术,理论上可以工作在更高的频率,而且损耗还低。

     

    前面讲到行业的情况,还是把中车的情况给大家做一个简要汇报。

     

    中车IGBT研究有十多年的历史,但是半导体的研究有几十年的历史。汽车级IGBT研究是从2010年开始的,通过这几年研发已经推出了很多应用于汽车的IGBT。芯片能力从2008年并购Dynex开始已经到了第六代。模块封装方面,我们也做了多种形式,满足不同环境的要求,包括半桥、全桥的模块都有,也有相应的双面冷却模块,最大电流可以做到1000安培。产品型谱里面,涵盖了30千瓦到200千瓦的产品需求。

     

    现在主要讲几个典型的产品:这个内部叫S2模块,可以开发出满足50多千瓦到70千瓦的功率等级,用于A级车以下的乘用车产品,这是我们相应的IGBT和相应产品的实物图。还有一个是S3(+)模块,可以做到150千瓦到200千瓦的水平。商用车领域我们也推出了1200V、600A的M1模块和HPD模块,用于了相应的车型。目前为止我们所有这些产品市面上能够使用的数量,在我们内部配套数量超过5万支IGBT。

     

    在碳化硅研究方面,我们承担了国家的一个项目,现在已经开发出1200V、400A的模块,同时开发出功率密度已经做到30.8千瓦的水平,这是我们中期检查的实际情况。

     

    总的来说,新能源汽车对IGBT的需求是与时俱进的,在不停地提升,对功率密度、可靠性、成本方面都提出越来越高的要求。我们认为IGBT还是有相当长的生命周期,同时碳化硅发展速度可能会超出预期。依托我们中国新能源汽车大的平台,我们认为通过行业的共同努力,IGBT技术从跟随到领跑这种跨越,应该在大家努力下指日可待。

     

     

                

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