活動現場，中車時代電動汽車股份有限公司首席專家伍理勛發表了演講。

 

 

以下為演講實錄：

 

大家好！我今天闡述一下對車規級功率半導體器件的認識和理解。要從以下四個方面：

 

電動汽車首先是電動化，功率半導體是汽車電動化最核心的器件，我們說是電動汽車之芯，是實現能量轉換的最核心的部件。以一個車為例，一個撤一臺控制器，用一個六單元的IGBT會用到36個芯片、240個元胞，是一個大的集成器件。我們談功率半導體的時候都會講到芯片和模塊，下面的匯報思路也是按照芯片和模塊這個思路來匯報的。

 

從IGBT芯片發展現狀和發展過程可以看出來，經過多次技術迭代以后，從平面柵、構槽柵、到精細構槽柵到逆導結，性能都在不停提升和發展過程中。目前我們看到這幾個企業相關產品代次的對于關系，這其中包括中車的產品。

 

除了IGBT以外，現在碳化硅也是目前行業研究的熱點，國內外都在做相關的技術研究，我們與國外的技術還是有代的差異的，包括Cree已經到第三代，中國還是第一代的水平。產業體系方面，國外6英寸、8英寸，中國可能還在4英寸的水平。芯片以外就是模塊。模塊就是把芯片封裝成一個部件，現在我們在車規級的線上可以看到大概有三種模塊形式：第一種標準模塊，第二種是分離機械加雙面冷卻，第三種是集成化組件，都有一些相關的車企或者零部件公司都有相應的方案。

 

標準模塊。我們看多比較有代表性的就是英飛凌，富士，國內中車也有相應的產品，主要特征就是Pin—Fin結構等。目前的水平單模塊可以做到100多千瓦的水平。另外一個模塊技術路線就是雙面冷卻技術路線，主要是可以降低熱阻，比普通的工業級模塊熱阻低30%到50%，平面封裝形式可以降低雜散參數、提高可靠性，下面的圖展示了雙面冷卻模塊發展的技術路線。

 

碳化硅的封裝形式，目前大概兩種，一個是標準的TO封裝，還有就是類似于IGBT的封裝形式，TO封裝和標準模塊封裝各有優缺點，這里簡單列了一下，而且可以看到主要的半導體廠家都已經推出了碳化硅器件，包括中車。各種功率半導體器在汽車領域的應用我們列了一張表，商用車、乘用車、車載便流器可能有不同的應用要求。比如說商用車，大部分目前為止還是平板散熱這種方式，乘用車雙面冷卻和Pin—Fin是主要的技術路線，電源產品可能更多是TO封裝這種形式，未來我們認為碳化硅、高效散熱、集成化是未來主要的技術路線和方向。

 

現在車規級器件還有很多技術難點需要我們攻克。首先芯片角度，車對芯片的要求，我們概括有以下三個方面：更低成本、更高功率密度、更高工作結溫，因為這是車的應用環境所決定的。

 

圍繞解決成本的問題，主要思路是把晶圓做到，從4英寸、6英寸，到8英寸、到12英寸，都是降低成本的手段。大尺寸晶圓可以提升產品的一致性，以8英寸、12英寸為例，單片數量會增加125%。為了提高功率密度，首先是芯片性能的提升，到現在電流能力從最早的200安培/平方厘米，現在可以到350，未來可以到500。圍繞提高功率密度還有一種方法，精細溝槽刪技術做到亞微米級以后，損耗進一步降低，也是提高功率的有效手段。還有把晶圓做薄，越薄熱阻越低、損耗越低，從85uM降到65uM，損耗可以降低20%。

 

把芯片集成也可以提供功率密度，一般知道一個IGBT都會有一個二極管，我們把二極管和IGBT結合在一起，叫逆導IGBT，還把傳感也結合在一起，可以降低損耗、提高功率密度，同時也可以提高芯片的智能化程度。

 

為了提高IGBT的環境適應性，提高工作溫度也是必須解決的問題，提高溫度的適應性主要兩個方案，一個是采用新型的終端材料，另外一個是采用新型器件。

 

模塊發展速度比芯片的發展速度慢一些，主要面臨一些問題，我們列了兩個方面：“電感—熱組”邊界效應的設計問題，還有熱功率密度提升帶來的可靠性問題。針對這些問題我們也提出了一些解決方案：第一，機電的設計，主要解決問題是降低熱組，同時把參數進一步優化。第二，讓芯片的靜態、動態的均流性進一步提升，讓溫度分布更加均勻。

 

另外，提高功率密度帶來的可靠性問題，主要體現在三個方面：芯片正面的互聯線、綁定線的可靠性，還有芯片背面焊接的可靠性，還有材料的適應性問題。針對第一個問題，綁定性的可靠性，我們現在主要解決方案是采用平面鍵合的方案，可以有效的提高連接端子互聯的可靠性。還有一個方案是正面金屬化，通過燒結技術提高焊接的可靠性，我們有一個數據可以讓熱循環壽命提高60多萬次的水平，標準3萬次就可以。還有一個提高可靠性的方案柔性互聯技術，可以提高端子的可靠性。還有一個方案是銀/銅燒結技術，可以把熱組降低25%，可靠性可以成倍提升。

 

提高IGBT環境適應性的四個方面，在灌封材料、導熱硅子都在做相應溫度的提升，能耐受到175度的環境要求。

 

另外一個提高可靠性的方案，提高散熱性能。現在普遍采用的方案就是以下兩種，一個是直接水冷，另外一個就是雙面散熱技術，都可以降低熱組、提高產品的可靠性。

 

除了芯片、模塊的一些難點以外，在國內產業化方面也面臨一些問題。首先是一些制造設備、關鍵材料主要依靠進口，另外是人才的短缺也是制約技術進步的一個重要方面。

 

下一代IGBT發展趨勢，我們主要談以下幾個方面：

 

第一，超結技術。超結IGBT技術可以比傳統IGBT技術在損耗方面進一步降低，同時可以提高MOSFET的耐壓性能。

 

第二，新型半導體技術，其中最主要的就是碳化硅的技術，可以使系統都在高溫、高效、高速下運行，可以進一步優化系統設計參數。

 

第三，氮化鉀，但是氮化鉀這個外延生成的形式很難大電流，變流器功還是更多使用碳化硅。

 

第四，硅基IGBT和SIC MOSFET結合在一起的功率半導體技術，理論上可以工作在更高的頻率，而且損耗還低。

 

前面講到行業的情況，還是把中車的情況給大家做一個簡要匯報。

 

中車IGBT研究有十多年的歷史，但是半導體的研究有幾十年的歷史。汽車級IGBT研究是從2010年開始的，通過這幾年研發已經推出了很多應用于汽車的IGBT。芯片能力從2008年并購Dynex開始已經到了第六代。模塊封裝方面，我們也做了多種形式，滿足不同環境的要求，包括半橋、全橋的模塊都有，也有相應的雙面冷卻模塊，最大電流可以做到1000安培。產品型譜里面，涵蓋了30千瓦到200千瓦的產品需求。

 

現在主要講幾個典型的產品：這個內部叫S2模塊，可以開發出滿足50多千瓦到70千瓦的功率等級，用于A級車以下的乘用車產品，這是我們相應的IGBT和相應產品的實物圖。還有一個是S3（+）模塊，可以做到150千瓦到200千瓦的水平。商用車領域我們也推出了1200V、600A的M1模塊和HPD模塊，用于了相應的車型。目前為止我們所有這些產品市面上能夠使用的數量，在我們內部配套數量超過5萬支IGBT。

 

在碳化硅研究方面，我們承擔了國家的一個項目，現在已經開發出1200V、400A的模塊，同時開發出功率密度已經做到30.8千瓦的水平，這是我們中期檢查的實際情況。

 

總的來說，新能源汽車對IGBT的需求是與時俱進的，在不停地提升，對功率密度、可靠性、成本方面都提出越來越高的要求。我們認為IGBT還是有相當長的生命周期，同時碳化硅發展速度可能會超出預期。依托我們中國新能源汽車大的平臺，我們認為通過行業的共同努力，IGBT技術從跟隨到領跑這種跨越，應該在大家努力下指日可待。