中車時代：車規(guī)級功率半導體技術挑戰(zhàn)與整體解決方案

前言

國產功率半導體已在眾多領域應用，特別是低端產品，如二極管、三極管、晶閘管、低壓 MOSFET（非車規(guī)）等，已初現“規(guī)模化效應、國產化率相對較高”等特點。在中高端領域，如 SJ MOSFET、IGBT、碳化硅等，特別是車規(guī)產品，由于起步晚、工藝相對復雜以及缺乏車規(guī)驗證機會等問題，國內廠家依然在追隨海外廠家技術發(fā)展路線。在2023年深圳國際電子展論壇上株洲中車時代半導體有限公司副總經理肖強給大家介紹了《車規(guī)級功率半導體技術挑戰(zhàn)與整體解決方案》。主要圍繞車規(guī)級功率半導體器件的技術挑戰(zhàn)、技術發(fā)展、產品解決方案以及未來趨勢展望幾個方面做了詳細介紹。

車規(guī)級功率半導體器件的技術挑戰(zhàn)

國內新能源汽車銷量快速增長——2030年預測將接近2000萬輛

市場規(guī)模持續(xù)增長：2023年上半年國內新能源車銷量374.7萬輛，同比增長44.1%，市場滲透率達28.3%

電驅功率不斷抬升：≤70kW電驅占比縮小，≥130kW電驅占比增加

SiC器件替代率提高：預計2025年SiC替代率將達到~20%

高壓化

乘用車800V電壓平臺(泛指600V~900V電池電壓)，實現電池快充

提升電池電壓，降低電流-減少互聯材料用量，降低整車重量，降本并節(jié)省空間

整車電氣架構高壓化，要求器件耐壓能力提升，同時兼顧器件損耗

高功率

電驅和電控向大功率等級方向發(fā)展，短時峰值功率輸出能力越來越高，實現更好的用戶體驗 電驅和電控向高功率密度方向發(fā)展，節(jié)省整車空間，降低整車重量

高功率密度電驅系統(tǒng)，要求功率器件出流能力更高，體積更小、重量更輕

高效率

時間效率——快速充電

快速充電對于減輕用戶的續(xù)航焦慮非常重要。主流快充技術目前充電速度在50-150kW，未來需要更高功率快充。

降低成本 更高的電驅效率，能夠節(jié)省更多的電池成本。

提高續(xù)航里程

目前大部分電動汽車的續(xù)航里程(NEDC)在300—500km。未來需要繼續(xù)提高電驅和電機傳動系統(tǒng)的效率，以延長續(xù)航里程

高可靠性

電驅系統(tǒng)壽命要求越來越長，需要功率器件可靠性高，使用壽命長

技術維度——功率循環(huán)能力需提升3倍以上，環(huán)境耐受能力、機械振動耐受能力需同步提升

可靠性維度——建立壽命預測模型，仿真結合實際應用多應力綜合評估，實現壽命精確計算

對功率器件需求"既要低損耗(高續(xù)航)，又要高極限能力"

既要和又要”體現出對器件綜合性能要求更高，包括開關特性、通態(tài)特性和電壓能力

如何做到綜合性能的均衡性，是對器件設計和應用的高挑戰(zhàn)

車規(guī)級功率器件的技術發(fā)展

先進微細加工技術支持IGBT芯片技術逐步逼近硅材料極限

SiC技術在材料和工藝技術的基礎上發(fā)展，不斷演進

封裝技術圍繞“高載流、高散熱、高結溫”、“功率密度提升的熱電耦合設計”“可靠性保障的材料、工藝、結構技術”三方面不斷演進。

1、芯片技術發(fā)展趨勢

更低成本

更高功率密度

更高工作結溫

芯片技術的發(fā)展，匹配功率器件更低損耗、更大出流、更強魯棒性的需求

2、封裝技術發(fā)展趨勢

更高工作結溫：最高工作結溫至175°C以上，提升功率密度

更強正面載流：提升長期可靠性，滿足大電流應用

更優(yōu)背面散熱：更優(yōu)散熱流道設計，結合低熱阻封裝方案，提升器件出流能力

封裝技術的發(fā)展，匹配功率器件更高功率密度、更高可靠性需求。

更高工作結溫

特種焊接技術——Pin針+端子超聲，建立高質量互連，避免更高結溫應用PIN針脫落問題

轉模環(huán)氧樹脂——高Tg(>250°C)，實現高溫絕緣保護；樹脂固化作用，PC能力提升3倍以上

更高結溫的應用，牽引了更多新材料的技術發(fā)展

更強正面載流

DTS技術——雙面銀燒結+銅線鍵合，熔點超過800°C，功率循環(huán)能力10倍以上

Cu-clip技術——減小模塊內阻，降低靜態(tài)損耗，降低熱耦合，器件出流提升

芯片正面互聯新工藝的引入，可以有效提升芯片的正面載流能力。

更優(yōu)背面散熱

降低接觸熱阻——銀燒結技術—界面熱阻降低10%以上

降低傳導熱阻——高導熱陶瓷技術—DBC層熱阻降低15%以上

新結構增強換熱——高效基板散熱技術—模塊熱阻降低20%以上

新封裝結構

框架封裝——耐受更高溫度，更高功率密度，更小模塊體積，更低電感設計

轉模封裝——適用高結溫應用(SiC芯片)，高良率，低成本，滿足客戶定制化應用場景(單管、半橋)

車規(guī)級產品解決方案

1、芯片產品

a)中車第七代超精細溝槽柵STMOSIGBT芯片

超薄片技術：70μm 8英寸IGBT晶圓

亞微米精細元胞技術：臺面寬度0.6μm ，接觸尺寸0.2μm

高可靠性復合金屬膜層技術：功率循環(huán)能力提升40%以上

b)中車第二代精細平面柵SiC芯片

SiCMOSFET芯片技術

引入載流子擴展層技術、薄片技術及柵氧遷移率提升：比導通電阻降低至3.5mΩ·cm2以下

超高溫熱氧化技術：抑制柵氧界面缺陷，擴展柵極電壓窗口，提升產品可靠性水平

SiCSBD芯片技術

零反向恢復損耗

薄片技術提升電流密度至300A/cm2

2、400V平臺產品

標稱電流：從 400A~1000A 等級

功率等級：覆蓋 40kW~200kW 等級

封裝形式：包括SO、S2 、S3以及定制化類型

芯片持續(xù)迭代，為器件出流能力&電控效率的提升提供解決方案

3、800V平臺產品

7thSTMOS1200V/600AS3+

出流：790V/400A/8K，@Tvjmax=150°C

魯棒性：可通過800V對管常開三溫短路測試(被測15V，陪測18V)，保障系統(tǒng)安全

針對母線電壓800V應用場景，為800V電控提供旗艦產品

7thSTMOS1300V/600AS3+

出流：880V/320A/10K，@Tvjmax=150°C

魯棒性：Vcepk、Vrrpk、SCSOA 安全裕量更大

針對母線電壓900V應用場景，可與Sic模塊互補搭配，匹配高壓輔驅需求

7thSTMOS1200V/600A混合SiCS3+

芯片：SiC SBD無反向恢復電流，器件動態(tài)損耗降低21%~27%(相比全SiGBT模塊)

出流：逆變輸出能力提升26.5%，整流能力提升21.9%

產品：出流能力提升，效率更高，滿足高壓平臺、更大功率平臺需求

在SiC和IGBT之外，為應用端提供了第三個可選擇的產品解決方案(性能、成本、控制)

1200V/660ASiCL5

芯片：中車自主SiC芯片，器件動態(tài)損耗降低56%~71%(相比全SiGBT模塊)

封裝：低熱阻，高均流，低寄生電感，界面高可靠，大幅提升器件壽命&PC能力

效率：800V/350A/10K，L5 SiC 功耗降低33%

出流：通過改變SiC芯片數量，支持不同功率等級需求，可擴展至250kW-400kW 峰值輸出

SiC MOSFET 芯片，器件耐溫能力高，功率密度高，功率循環(huán)能力強，滿足高壓主驅的應用需求。

4、IGBT芯片

2023年7.5thSTMOS+

175°C結溫溝槽技術

電流密度330A/cm2

高溫漏電降低50%

工況效率提升1%

2024年8thRCMOS+

逆導技術

電流密度350A/cm2

導通壓降減小10%

功率密度提升15%

5、SiC芯片

2024年3rdSiCDMOS+

平面柵技術

比導通電陽3.2mΩ·cm2

2025年4thSiCTMOS

溝槽柵技術

比導通電阻2.5mΩ·cm2

2027年5thSiCTMOS+

精細溝槽柵技術

元胞尺寸1.8μm

比導通電阻1.8mΩ·cm2

未來趨勢展望

1、集成化，智能化

逆導型IGBT

低熱阻：IGBT熱阻低30%，FRD熱阻低60%

特性均衡：各工況(堵轉&整流與逆變)極限出流能力均較高

器件小型化，電流密度提升

芯片傳感集成

溫度傳感：精準檢測，溫差小于8C，響應速度遠高于NTC

電流傳感：短路保護速度高于退飽和檢測(保護時間1~2μs內)

精準保護，模塊功率輸出能力提升20%

2、應用突破，新拓撲

SiIGBT/SiCMOSFET并聯混合拓撲

優(yōu)勢

性能：MOSFET開關損耗優(yōu)勢+IGBT大電流導通優(yōu)勢

靈活：采用多種控制策略，實現損耗、結溫、效率的多目標優(yōu)化

成本：調控Si IGBT與SiC MOSFET數量，性能與成本最優(yōu)選擇

挑戰(zhàn)

驅動復雜：5種以上控制策略，驅動控制選擇及設計難度大

適用范圍窄：芯片單獨柵控信號接口，僅適合單管或Tpak封裝

三電平拓撲-NPC、ANPC

三電平相比兩電平的優(yōu)勢

器件損耗更低：理論上器件承受1/2直流電壓，將低壓器件應用于高電壓等級的場景

諧波含量更?。嚎僧a生多層階梯形輸出電壓，對階梯波再作調制

電磁干擾(EMI)問題減輕：器件開關dv/dt通常只有傳統(tǒng)兩電平的一半

三電平相比兩電平的劣勢

拓撲和控制更復雜：需要12個(NPC)或18個(ANPC)驅動單元。

逼近硅極限，超越摩爾，升級新材料開拓功率新局面

新材料、新工藝、新結構，在封裝上的變化與發(fā)展永不停步