前言

國(guó)產(chǎn)功率半導(dǎo)體已在眾多領(lǐng)域應(yīng)用，特別是低端產(chǎn)品，如二極管、三極管、晶閘管、低壓 MOSFET（非車規(guī)）等，已初現(xiàn)“規(guī)模化效應(yīng)、國(guó)產(chǎn)化率相對(duì)較高”等特點(diǎn)。在中高端領(lǐng)域，如 SJ MOSFET、IGBT、碳化硅等，特別是車規(guī)產(chǎn)品，由于起步晚、工藝相對(duì)復(fù)雜以及缺乏車規(guī)驗(yàn)證機(jī)會(huì)等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)廠家依然在追隨海外廠家技術(shù)發(fā)展路線。在2023年深圳國(guó)際電子展論壇上株洲中車時(shí)代半導(dǎo)體有限公司副總經(jīng)理肖強(qiáng)給大家介紹了《車規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)體技術(shù)挑戰(zhàn)與整體解決方案》。主要圍繞車規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)體器件的技術(shù)挑戰(zhàn)、技術(shù)發(fā)展、產(chǎn)品解決方案以及未來(lái)趨勢(shì)展望幾個(gè)方面做了詳細(xì)介紹。

車規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)體器件的技術(shù)挑戰(zhàn)

國(guó)內(nèi)新能源汽車銷量快速增長(zhǎng)——2030年預(yù)測(cè)將接近2000萬(wàn)輛

市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)：2023年上半年國(guó)內(nèi)新能源車銷量374.7萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)44.1%，市場(chǎng)滲透率達(dá)28.3%

電驅(qū)功率不斷抬升：≤70kW電驅(qū)占比縮小，≥130kW電驅(qū)占比增加

SiC器件替代率提高：預(yù)計(jì)2025年SiC替代率將達(dá)到~20%

高壓化

乘用車800V電壓平臺(tái)(泛指600V~900V電池電壓)，實(shí)現(xiàn)電池快充

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

整車電氣架構(gòu)高壓化，要求器件耐壓能力提升，同時(shí)兼顧器件損耗

高功率

電驅(qū)和電控向大功率等級(jí)方向發(fā)展，短時(shí)峰值功率輸出能力越來(lái)越高，實(shí)現(xiàn)更好的用戶體驗(yàn) 電驅(qū)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(qū)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(shí)間效率——快速充電

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

降低成本 更高的電驅(qū)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(dòng)汽車的續(xù)航里程(NEDC)在300—500km。未來(lái)需要繼續(xù)提高電驅(qū)和電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，以延長(zhǎng)續(xù)航里程

高可靠性

電驅(qū)系統(tǒng)壽命要求越來(lái)越長(zhǎng)，需要功率器件可靠性高，使用壽命長(zhǎng)

技術(shù)維度——功率循環(huán)能力需提升3倍以上，環(huán)境耐受能力、機(jī)械振動(dòng)耐受能力需同步提升

可靠性維度——建立壽命預(yù)測(cè)模型，仿真結(jié)合實(shí)際應(yīng)用多應(yīng)力綜合評(píng)估，實(shí)現(xiàn)壽命精確計(jì)算

對(duì)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(xiàn)出對(duì)器件綜合性能要求更高，包括開關(guān)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(duì)器件設(shè)計(jì)和應(yīng)用的高挑戰(zhàn)

車規(guī)級(jí)功率器件的技術(shù)發(fā)展

先進(jìn)微細(xì)加工技術(shù)支持IGBT芯片技術(shù)逐步逼近硅材料極限

SiC技術(shù)在材料和工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展，不斷演進(jìn)

封裝技術(shù)圍繞“高載流、高散熱、高結(jié)溫”、“功率密度提升的熱電耦合設(shè)計(jì)”“可靠性保障的材料、工藝、結(jié)構(gòu)技術(shù)”三方面不斷演進(jìn)。

1、芯片技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

更低成本

更高功率密度

更高工作結(jié)溫

芯片技術(shù)的發(fā)展，匹配功率器件更低損耗、更大出流、更強(qiáng)魯棒性的需求

2、封裝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

更高工作結(jié)溫：最高工作結(jié)溫至175°C以上，提升功率密度

更強(qiáng)正面載流：提升長(zhǎng)期可靠性，滿足大電流應(yīng)用

更優(yōu)背面散熱：更優(yōu)散熱流道設(shè)計(jì)，結(jié)合低熱阻封裝方案，提升器件出流能力

封裝技術(shù)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(jié)溫

特種焊接技術(shù)——Pin針+端子超聲，建立高質(zhì)量互連，避免更高結(jié)溫應(yīng)用PIN針脫落問(wèn)題

轉(zhuǎn)模環(huán)氧樹脂——高Tg(>250°C)，實(shí)現(xiàn)高溫絕緣保護(hù)；樹脂固化作用，PC能力提升3倍以上

更高結(jié)溫的應(yīng)用，牽引了更多新材料的技術(shù)發(fā)展

更強(qiáng)正面載流

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

Cu-clip技術(shù)——減小模塊內(nèi)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(lián)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(jié)技術(shù)—界面熱阻降低10%以上

降低傳導(dǎo)熱阻——高導(dǎo)熱陶瓷技術(shù)—DBC層熱阻降低15%以上

新結(jié)構(gòu)增強(qiáng)換熱——高效基板散熱技術(shù)—模塊熱阻降低20%以上

新封裝結(jié)構(gòu)

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(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)模封裝——適用高結(jié)溫應(yīng)用(SiC芯片)，高良率，低成本，滿足客戶定制化應(yīng)用場(chǎng)景(單管、半橋)

車規(guī)級(jí)產(chǎn)品解決方案

1、芯片產(chǎn)品

a)中車第七代超精細(xì)溝槽柵STMOSIGBT芯片

超薄片技術(shù)：70μm 8英寸IGBT晶圓

亞微米精細(xì)元胞技術(shù)：臺(tái)面寬度0.6μm ，接觸尺寸0.2μm

高可靠性復(fù)合金屬膜層技術(shù)：功率循環(huán)能力提升40%以上

b)中車第二代精細(xì)平面柵SiC芯片

SiCMOSFET芯片技術(shù)

引入載流子擴(kuò)展層技術(shù)、薄片技術(shù)及柵氧遷移率提升：比導(dǎo)通電阻降低至3.5mΩ·cm2以下

超高溫?zé)嵫趸夹g(shù)：抑制柵氧界面缺陷，擴(kuò)展柵極電壓窗口，提升產(chǎn)品可靠性水平

SiCSBD芯片技術(shù)

零反向恢復(fù)損耗

薄片技術(shù)提升電流密度至300A/cm2

2、400V平臺(tái)產(chǎn)品

標(biāo)稱電流：從 400A~1000A 等級(jí)

功率等級(jí)：覆蓋 40kW~200kW 等級(jí)

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(tái)產(chǎn)品

7thSTMOS1200V/600AS3+

出流：790V/400A/8K，@Tvjmax=150°C

魯棒性：可通過(guò)800V對(duì)管常開三溫短路測(cè)試(被測(cè)15V，陪測(cè)18V)，保障系統(tǒng)安全

針對(duì)母線電壓800V應(yīng)用場(chǎng)景，為800V電控提供旗艦產(chǎn)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(duì)母線電壓900V應(yīng)用場(chǎng)景，可與Sic模塊互補(bǔ)搭配，匹配高壓輔驅(qū)需求

7thSTMOS1200V/600A混合SiCS3+

芯片：SiC SBD無(wú)反向恢復(fù)電流，器件動(dòng)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(chǎn)品：出流能力提升，效率更高，滿足高壓平臺(tái)、更大功率平臺(tái)需求

在SiC和IGBT之外，為應(yīng)用端提供了第三個(gè)可選擇的產(chǎn)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(dòng)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(guò)改變SiC芯片數(shù)量，支持不同功率等級(jí)需求，可擴(kuò)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(qiáng)，滿足高壓主驅(qū)的應(yīng)用需求。

4、IGBT芯片

2023年7.5thSTMOS+

175°C結(jié)溫溝槽技術(shù)

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(dǎo)技術(shù)

電流密度350A/cm2

導(dǎo)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(shù)

比導(dǎo)通電陽(yáng)3.2mΩ·cm2

2025年4thSiCTMOS

溝槽柵技術(shù)

比導(dǎo)通電阻2.5mΩ·cm2

2027年5thSiCTMOS+

精細(xì)溝槽柵技術(shù)

元胞尺寸1.8μm

比導(dǎo)通電阻1.8mΩ·cm2

未來(lái)趨勢(shì)展望

1、集成化，智能化

逆導(dǎo)型IGBT

低熱阻：IGBT熱阻低30%，F(xiàn)RD熱阻低60%

特性均衡：各工況(堵轉(zhuǎn)&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(zhǔn)檢測(cè)，溫差小于8C，響應(yīng)速度遠(yuǎn)高于NTC

電流傳感：短路保護(hù)速度高于退飽和檢測(cè)(保護(hù)時(shí)間1~2μs內(nèi))

精準(zhǔn)保護(hù)，模塊功率輸出能力提升20%

2、應(yīng)用突破，新拓?fù)?/p>

SiIGBT/SiCMOSFET并聯(lián)混合拓?fù)?/p>

優(yōu)勢(shì)

性能：MOSFET開關(guān)損耗優(yōu)勢(shì)+IGBT大電流導(dǎo)通優(yōu)勢(shì)

靈活：采用多種控制策略，實(shí)現(xiàn)損耗、結(jié)溫、效率的多目標(biāo)優(yōu)化

成本：調(diào)控Si IGBT與SiC MOSFET數(shù)量，性能與成本最優(yōu)選擇

挑戰(zhàn)

驅(qū)動(dòng)復(fù)雜：5種以上控制策略，驅(qū)動(dòng)控制選擇及設(shè)計(jì)難度大

適用范圍窄：芯片單獨(dú)柵控信號(hào)接口，僅適合單管或Tpak封裝

三電平拓?fù)?NPC、ANPC

三電平相比兩電平的優(yōu)勢(shì)

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(yīng)用于高電壓等級(jí)的場(chǎng)景

諧波含量更?。嚎僧a(chǎn)生多層階梯形輸出電壓，對(duì)階梯波再作調(diào)制

電磁干擾(EMI)問(wèn)題減輕：器件開關(guān)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(shì)

拓?fù)浜涂刂聘鼜?fù)雜：需要12個(gè)(NPC)或18個(gè)(ANPC)驅(qū)動(dòng)單元。

逼近硅極限，超越摩爾，升級(jí)新材料開拓功率新局面

新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)，在封裝上的變化與發(fā)展永不停步