中车年代伍理勋车规级功率半导体器材的知道和了解

1月10-12日，2020中国电动汽车百人会论坛在钓鱼台国宾馆隆重召开。本次论坛围绕“把握形势 聚焦转型 引领创新”主题，邀请政府有关部门和汽车、能源、交通、城市、通讯等领域的行业机构和领先企业代表，就行业、企业、政策的转型与创新展开深度研讨。以下是中车时代电动汽车股份有限公司首席专家，伍理勋在本次论坛上的发言：

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。目前我们正真看到这几个企业相关产品代次的对于关系，这这中间还包括中车的产品。

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能够正常的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。目前的水平单模块能做到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，主要是能够更好的降低热阻，比普通的工业级模块热阻低30%到50%，平面封装形式能够更好的降低杂散参数、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，而且能够正常的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，未来我们大家都认为碳化硅、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要求我们攻克。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，都是减少相关成本的手段。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%。为了更好的提高功率密度，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，损耗能够更好的降低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，能够更好的降低损耗、提高功率密度，同时也能大大的提升芯片的智能化程度。

为了更好的提高IGBT的环境适应性，提高工作时候的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。针对这样一些问题我们也提出了一些解决方案：第一，机电的设计，主要处理问题是降低热组，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，可以轻松又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，能大大的提升端子的可靠性。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，都能够更好的降低热组、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发展的新趋势，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，同时能大大的提升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，最大电流能做到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，能做到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真实的情况。

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、成本方面都提出慢慢的升高的要求。我们大家都认为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，我们大家都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。

谢谢大家！