功率電子器件供需強勁 汽車電子如何“接棒”消費電子？

電子發(fā)燒友早八點訊：當智能手機等消費類電子市場趨于平緩之后，汽車電子成為了電子產(chǎn)業(yè)關注的下一個熱點。從2016年的業(yè)界主要的幾家半導體廠商的年報中就可以看出，比如在2016年，恩智浦半導體的汽車電子產(chǎn)品營收為33.79億美元，占了其公司總營收的35.6%，英飛凌2016年的主要營收也來自于汽車電子，占了其總營收的41%;意法半導體的營收大頭是由汽車和分立器件產(chǎn)品部提供的，占了其總體營收的40.34%......

而且，目前各大半導體廠商都在積極布局，例如在消費類電子市場呼風喚雨的高通通過并購恩智浦半導體的方式進軍汽車電子市場;***的聯(lián)發(fā)科技(MediaTek)在2016年12月初宣布進入日益成長的汽車電子市場;也有公司為了維護其市場地位，進行了一些戰(zhàn)略性并購，像安森美并購了Fairchild，以補足其在中、高壓功率器件上的不足;瑞薩則通過收購Intersil鞏固其在汽車電子市場的地位。

不論汽車電子是否會真正“接棒”消費類電子市場，可以預見的是汽車產(chǎn)業(yè)正在向智能化、電子化等方向發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計汽車電子在整車成本中的占比正不斷增加，緊湊型車中占了15%、中高檔轎車中占約28%、混合動力車中更占到47%、純電動轎車中則占65%，在智能化、電子化的大趨勢下，這將會給整個半導體市場帶來新的活力和新的增長點。本文主要討論汽車電子中的功率電子器件目前的現(xiàn)狀，未來的發(fā)展方向，以及可能會遇到的挑戰(zhàn)和應對策略。

功率電子器件在汽車中的發(fā)展趨勢

隨著汽車智能化、電子化的程度越來越高，對傳感器、MCU、ECU、IGBT，以及BMS等芯片的需求越來越大。無疑在這些芯片中，功率電子器件的是占絕對大頭的，那未來功率電子器件在汽車中會呈現(xiàn)怎樣的發(fā)展趨勢呢?

圖1：東芝電子(中國)有限公司技術部副高級經(jīng)理劉文鑫

英飛凌新能源汽車電力電子應用工程師何耀華認可劉文鑫的判斷，不過他還著重補充了下面幾點。

一是將來會出現(xiàn)專用的汽車級功率電子器件。他解釋說，雖然汽車級認證的電子元器件是車廠默認的準入條件，通過汽車級認證的產(chǎn)品有著更高的可靠性和性能，但是為工業(yè)應用設計的通用功率電子器件，已經(jīng)跟不上日新月異的新能源汽車的發(fā)展需求了，設計已經(jīng)走過初期的“將就用”的階段，精細化設計已經(jīng)成為了趨勢和必然。

二是平臺化設計。典型的汽車電子系統(tǒng)開發(fā)耗時2到3年，如果后續(xù)有更新的需求，推倒重頭開始開發(fā)，需要消耗大量開發(fā)成本和時間。如果功率電子器件能實現(xiàn)平臺化，可以明顯降低開發(fā)成本和周期。何耀華拿英飛凌的Hybridpack drive家族產(chǎn)品舉例說，“針對70Kw~150Kw平臺，前期開發(fā)可以使用Hybridpack drive pinfin版本的高性能產(chǎn)品，做到90Kw~150Kw，后續(xù)如有70Kw~90Kw需求，只需要把功率模塊更換為Hybridpack drive flat，無需更改電路和軟件?！?/p>

三是智能化和功能安全設計。功率電子傳統(tǒng)意義上是一個被動的執(zhí)行器件，接收指令后動作。何耀華認為，將來的趨勢是不僅簡單的接收指令，還有部分判斷和保護功能，“例如在IGBT內部增加電流和溫度傳感器，當系統(tǒng)可能出故障時，能做初步的判斷，可以首先嘗試降低車輛輸出扭矩和速度，而不是直接關閉。在電池電壓偏高，降低功率器件開關速度，保護開關電路安全，在電池電壓正常時，做最高效開關動作?！惫β势骷闹悄芑?，可以讓電子控制系統(tǒng)達到更高安全等級。

給半導體廠商帶來的挑戰(zhàn)

汽車應用不同于傳統(tǒng)工業(yè)驅動應用需求，何耀華舉例說，“大型水電站的發(fā)電機和輸配電的電力變換器的最重要特性是高可靠性和高性能，因為單臺價值高，數(shù)量少，元器件成本稍高也可以接受。但汽車應用作為大規(guī)模量產(chǎn)的高端工業(yè)消費品，終端客戶是個人，需要更好地控制終端售價，因此，對元器件成本提出了更高的要求?！?/p> 雖然成本要嚴格控制，但最為安全相關產(chǎn)品，可靠性卻不能有半點降低。低成本和高可靠性是相互矛盾的，這個功率半導體廠商提出了更高的要求。

對此，安森美半導體中國解決方案工程中心(SEC)高級經(jīng)理陳立烽深有同感，“功率電子器件的可靠性、能效和性價比就是功率半導體廠商面臨的挑戰(zhàn)。”以新能源汽車電機逆變系統(tǒng)為例，為了增加續(xù)航里程，逆變器就需要非常高的效率。同時，器件也應確保在高溫、大電流條件下工作時的高可靠性。

除了這些，東芝電子的劉文鑫認為，對于功率半導體廠商來說，車載半導體材料的研發(fā)、工藝的改進，以及生產(chǎn)質量控制等方面也是一個比較大的挑戰(zhàn)。

應對策略

面對這些挑戰(zhàn)，不同的功率半導體廠商有不同的應對的策略，有的改進其生產(chǎn)工藝、有的使用新材料，也有的通過改變封裝來應對。

據(jù)安森美半導體的陳立烽介紹，為了保證大電流，高功率的功率器件的高可靠性，在器件層面，安森美半導體專注于新技術以減少功率器件的導通損耗和寄生參數(shù)，從而提高能效和增強系統(tǒng)可靠性，此外，他們還大量投資于新的先進的封裝設計，如TO-Leadless (TOLL)、4引腳TO-247、DSC(雙面冷卻)等。相較傳統(tǒng)的封裝，這些新的封裝具有更低的熱阻、更小的寄生參數(shù)和可靠的結構設計，可滿足汽車應用的關鍵要求。

他同時強調，安森美半導體所有這些器件都通過AEC認證的嚴格測試，如高溫反向偏置(HTRB)、動力循環(huán)等。陳立烽還特意提到，“我們的制造和質量控制流程，也滿足業(yè)界可靠性和耐用性的需要?！?/p>

東芝則通過功率半導體的晶圓工藝及封裝類型的不斷革新來應對挑戰(zhàn)。其低導通阻抗(UMOS9代)、高散熱封裝(銅連接、DSOP雙面散熱)、高集成度等特性可幫助客戶實現(xiàn)大功率負載控制器的小型化設計。

對于英飛凌的應對策略，何耀華提到了四點。

一是，持續(xù)更新產(chǎn)品線，提供更有力的競爭產(chǎn)品。他舉例說，在國內廣泛應用的針對120Kw到150Kw逆變器用的功率半導體模塊Hybridpack2，英飛凌推出的更新版本的產(chǎn)品：HybirdPack drive，通過優(yōu)化晶圓性能和內部封裝設計，在保持輸出功率不變的情況下，降低了30%體積，也就是提高了30%的功率密度，因為使用了更少的晶圓和降低了散熱器面積，市場競爭力也大幅提升。

二是優(yōu)化半導體工藝，降低成本。在多數(shù)半導體廠家還在用8英寸晶圓來生產(chǎn)IGBT晶片時，英飛凌是業(yè)界少數(shù)幾個采用12寸晶圓的半導體廠家，通過提高晶片切割的利用效率，降低IGBT晶片的成本，12英寸晶圓意味每盤待切割的晶圓數(shù)量更多，對良品率的控制要求更高，如何提高生產(chǎn)良品率也是英飛凌核心的競爭力。

三是定制針對汽車應用的IGBT晶圓。之前IGBT晶圓設計主要輸入來源是工業(yè)應用，例如650V和1200V的IGBT分別針對220V 和380V的交流整流輸出。英飛凌針對汽車應用另起爐灶，針對144V的中混，336V到500V的高壓強混和純電動車，推出了400V和750V的晶圓，其中型號為EDT2的晶片，有著業(yè)界最高的產(chǎn)品性能，相對之前產(chǎn)品提高了20%的性能，使得更緊湊的設計成為了可能。當然所有晶片都能滿足汽車級認證的各相嚴苛條件。

四是大規(guī)模持續(xù)供貨能力和質量保證。英飛凌在德國瓦爾斯泰因有2條全自動化產(chǎn)線，專門生產(chǎn)針對汽車級的功率電子IGBT模塊，能保證足夠的產(chǎn)能。全自動化產(chǎn)線，也完全避免了人為錯誤帶來的影響。各種齊全的生產(chǎn)質量控制體系，及出廠產(chǎn)品都經(jīng)過100%覆蓋的測試，將出廠產(chǎn)品的失效率降到最低。

他同時還提到，汽車級設計和認證體系是保證其產(chǎn)品高可靠性的保證。何耀華拿最新的HybridPack drive IGBT模塊舉例，“該模塊從設計概念，到產(chǎn)品從產(chǎn)線生產(chǎn)，經(jīng)歷了3年時間，其中18個月是做可靠性驗證研發(fā)，可靠性驗證研發(fā)的主要工作是，用各種極限測試做加速老化驗證，例如其中一個測試叫做溫度循環(huán)測試，需要將IGBT模塊從50度在5秒內加熱到150度，經(jīng)歷60,000次而不出現(xiàn)壽命衰減，震動測試的標準也從5g提高到了20g，還能在短時間內(11毫秒)承受50g的沖擊。同時，在2008年生產(chǎn)的HybridPack1模塊，在車輛運行200,000公里后，拆解逆變器后將功率模塊送到英飛凌做分析，基本完好無損，能通過出廠測試流程。”

給汽車工程師的建議

在英飛凌的何耀華看來，汽車電子工程師在挑選功率電子器件時，需要關注以下技術特性。

首先，無容置疑的是需要選擇通過汽車級認證的功率電子器件，從器件選型開始就要保證系統(tǒng)的可靠性;

其次，通過綜合的系統(tǒng)設計來優(yōu)化功率器件的選型和降低成本。例如通過配合系統(tǒng)設計和工況設計，根據(jù)車輛運行工況優(yōu)化控制軟件，降低功率器件的需求 ，提高系統(tǒng)性能和降低成本;

三是，電氣參數(shù)的設計和選型。這需要考慮極限工作狀況下電氣參數(shù)的影響，并通過仿真和實驗驗證。

最后一點也是最重要的可靠性設計。需要做失效分析和耐久試驗。

他的建議是在設計之初就考慮可靠性和壽命，通過仿真和實驗驗證，而且需要合理設計可靠性參數(shù)，應避免過高設計余量帶來過高的成本。

安森美的陳立烽則建議，工程師挑選功率電子器件時，首要考量的是電氣性能，包括導通和開關性能、安全工作區(qū)(SOA)等。雖然業(yè)界有很多新技術和新器件。例如，氮化鎵(GaN) MOSFET具有更低的開關損耗，但工程師更應關注該新器件的驅動器技術。

另一個需要評估的因素是寄生參數(shù)，因為這將導致對器件額外的應力，和影響EMI性能。

此外，工程師還應關注熱設計和系統(tǒng)結構。因為在汽車應用中，工作條件非常惡劣，所以工程師應考慮所有條件以確保系統(tǒng)能在最壞的情況下工作。

“工程師應根據(jù)系統(tǒng)的設計要求，對功率器件的過電流能力、溫升參數(shù)及開關噪聲等細節(jié)方面需要事先計算和評估，以避免后期方案的測試遇到重大的技術困難。”東芝的劉文鑫這樣對工程師建議。

他拿為新能源汽車選擇功率電子器件舉例，與傳統(tǒng)汽車相比，新能源汽車的能源效率和行駛里程的問題更為突出，因此，在選擇器件時，不但要關注器件的性能和可靠性，更要對器件的靜態(tài)功耗、低工作電壓，以及單位重量等參數(shù)嚴格把關。

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