斯达半导体刘志红:下一代电驱系统与SiC的结合应用

NE时代

阅读 2869   更新于 2021-06-24 09:19:55

今天非常荣幸在这里有机会给大家介绍下一代电驱系统的分享,结合斯达产品的发展现状和后面的规划作一下简要介绍。主要是四个方面,第一个是下一代电驱系统对功率器件的要求,第二个是碳化硅器件的发展现状及趋势,第三个是碳化硅器件在电动汽车行业应用中的主要挑战,第四个是斯达半导体目前的碳化硅器件发展现状。

第一个,电驱系统对功率器件的要求,包括高功率、高功率密度、高效率、高转速、低噪音、低成本。高功率主要是对器件的要求要采用高压大电流的器件,750V一直到1200V,同样一个模块里面电流等级不断提升。高功率密度提高芯片本身的电流密度,封装主要是提高封装的电流密度,走集成化的方向发展。高效率器件的要求低损耗,低导通损耗,低开关损耗。高转速提主要是提高载频,提高开关速度,降低开关损耗。低噪音提高载频,高开关速度。低成本IGBT来说是向大尺寸晶圆方向发展,8寸到12寸,走集成化,规模化生产。下面是美国能源部对电驱系统的发展目标,从2020年到2025年有两方面的指标要求,一个是成本,一个是功率密度要求87%的体积下降。

碳化硅在电驱系统的应用,国外主要是以特斯拉的model 3为代表,国内近年来以比亚迪汉为代表,开启了碳化硅在电机系统应用的序幕。作一个简要介绍,碳化硅器件为什么可以提高电动汽车主驱的效率,主要是采用MOSFET的性能,在轻载荷和小电流下面损耗会比IGBT低,同时碳化硅MOSFET具有低栅极电荷、高开关速度低开关损耗。碳化硅的主要好处是轻载荷下可以提高电动汽车的效率,同样电池容量下可以提高续航里程5-10%,再一个是可以提高主驱的功率密度,有利于小型化。

碳化硅器件的发展现状和趋势。首先是IGBT的发展方向主要有两个方面,第一个元胞,正面元胞主要是向机械化沟槽方向发展,主要提高芯片的电流密度,降低芯片的面积,降低芯片的成本。垂直结构主要是降低芯片的厚度,降低芯片的导通损耗和开关损耗。目前以1200V来说,目前这个厚度在100-110微米左右,今后还有10-15微米的下降空间。650、750主流在60和70微米左右,后面还有10个微米下降的空间。芯片的下降要考虑几个因素,需要进行折中的权衡。

整个器件的发展方向,目前市场上包括汽车应用都是以IGBT为主导的,行业预计在2035年左右IGBT市场会被碳化硅器件反超,从现在2021年到2035年还有15年左右的时间,在这个时间段里面还有2-3代迭代的过程。

碳化硅MOSFET的发展历程,第一代碳化硅MOSFET是2010年左右推出来,当时出来是ROHM第一代。到2021年量产的是第三代,第3.5代明年会推出,ROHM目前从平面栅发展到沟槽栅。从整个碳化硅MOSFET的发展历史来说,目前商业化不超过10年左右的时间,电子电力器件都是比较新的。碳化硅MOSFET的发展方向还是会沿着IGBT的方向发展,从平面栅向沟槽栅的方向发展,目前市面上像Infineon、ROHM的MOSFET的器件结构,是为了进一步提高器件的可靠性,提高性能方面发展。

碳化硅的成本目前为什么降不下来?首先硅生长温度是1500度左右,生长速度是很快的,碳化硅的生长温度是2100度到2500度,然后生长是非常慢的,一般是一个小时生长的长度小于一个毫米。直径方面,硅目前12、18英寸都有,碳化硅主流还是4寸或者是6寸,8寸在研发过程。单晶晶棒的长度硅2米都是可能的,生产速度和成熟速度非常高,碳化硅基本上小于5个厘米,这个差异非常大,这也是碳化硅目前成本降不下来的主要原因。再就是工艺方面的,硅的硬度不是很高比较适合进行切割抛光减薄,但是碳化硅都是非常困难的。正是因为这些因素碳化硅在可以预见的短期内肯定比硅要高。

主要讲一下碳化硅和IGBT在汽车的平衡,或者整个行业发展是有利于IGBT还是碳化硅。第一个,IGBT的生产工艺从8寸到12寸,比较有利于进一步降低IGBT的成本,可以带来30%单片的成本下降。电池技术的进步来说,电池成本越低越有利于IGBT器件。再一个,其他方面技术的进步,包括电机方面,有利于碳化硅,再一个就是碳化硅可靠性的提升。行业里面目前预测像光伏和电动汽车的新兴应用需求的拉动,碳化硅可能在2023、2024年迎来一个比较大幅的价格下降,比较有利于碳化硅器件更大维度的普及,碳化硅应用市场预计2023、2024、2025年迎来快速的增长,主要是受电动汽车的拉动。

接下来主要讲一下碳化硅器件在电动汽车应用的主要挑战。首先是芯片方面,因为碳化硅MOSFET的商业化也是最近十年左右的事情,目前在器件的一些结构工艺方面还面临着很多的挑战,包括电压的长期稳定性,材料的缺陷和退化,以及模块的封装方面高温、高频应用对封装技术的要求,这都有很多的问题需要从器件的角度进行解决。

从碳化硅器件可靠性方面也有很多新的研究,在学术界和产业界都在积极研究,包括碳化硅二极管的长期可靠性,正电和反电的长期可靠性,以及漂移的辅助控制等等,有很多相同碳化硅器件所特有的都要进行研究和开发的。

在碳化硅模块的可靠性方面,汽车应用目前IGBT主要遵循AQG324,这个是在欧洲推出来的针对新能源汽车功率模块的标准,主要是针对硅基IGBT提出来的,其实不能完全覆盖碳化硅器件的要求,包括碳化硅的阈值的要求,以及缺陷导致的退化,这个里面应该都没有覆盖,后面可能会有一个升级版,会把碳化硅器件的可靠性覆盖进去。

碳化硅在封装和寿命方面跟硅的差异,碳化硅两个主要的差异是由材料的特性导致的,杨氏模量是62个Gpa,碳化硅是450个Gpa,这个带来一个问题。在温度循环下,碳化硅和芯片上下的封装材料焊料等等之间的应力可能是硅和相应材料级应力的6-7倍,如果做功率循环等等寿命会有大幅的下降,没有办法达到硅IGBT的水平,这是目前针对电动汽车应用目前都是要采用低温烧结来进行改善的原因。

碳化硅器件的封装主要有这方面的要求Substrate,然后选用高温硅凝胶,硅凝胶温度可以达到750度以上。芯片的焊接优选的焊接方式Increasingly,主要是减少电感,提高器件的工作频率,降低电压过冲。这个是DPC芯片下面的绝缘陶瓷基板,碳化硅优选的材料是碳化硅的绝缘陶瓷基板,主要优势就是热导率可以达到90%,抗折弯强度达到900左右。氧化铝热导率可以达到180%但是很脆不适合汽车振动冲击的环境,氧化铝目前是工业级的IGBT首选,主要是比较便宜,但是热导率只有30%左右,目前碳化硅不管是国外还是国内的厂家首选都是用碳化硅的Semiconducor进行封装的。第二块碳化硅温度循环能力远远超过氮化铝、氧化铝的。

里面的灌封胶目前如果是沿袭传统的封装结构,里面需要有一个脱敏的硅凝胶,硅凝胶目前像国外有200度到250度的硅凝胶,可以满足现阶段碳化硅的封装要求。车规级模块封装工艺技术的要求,目前有三项比较核心的工艺技术,一个超声波焊接技术,主要是讲里面模块的端子,目前采用超声波的技术实现连接,可以提高模块的抗振动冲击和温度循环能力;第二个铜线键合技术和银浆烧结,主要是需要配合碳化硅器件来做的。可以大幅度提高碳化硅模块的功率循环寿命。

这是目前基于常规的IGBT封装里面碳化硅模块,左边是德国一家公司的,里面的工艺采用了传统焊接工艺配合铝线键合,右边是斯达开发的车规级的碳化硅模块,它的功率循环能力和温度循环能力远远超过了国外这家公司的产品。稍微展开一下为什么采用银烧结,右边是传统的模块可以用到的焊料,像180度到200度的范围没有办法满足碳化硅175度甚至200度高温工作的要求,会导致寿命和可靠性的问题。高温一般是含有稀有金属,熔点会很高,对模块的封装过程提出非常高的挑战,也是不大合适的。目前比较适合的就是银烧结,是30-40MPa的压力。封装结构来说目前碳化硅的模块封装存在的一些主要形式,第一个双面焊接单面冷却系列,国外有Danfoss,里面采用双面的银烧结从单面冷却。右边是ABB的碳化硅模块,下面是ST供给特斯拉model3的右边是Bosch,封装结构是比较类似的。

第二个结构走双面冷却的路线,国际上有很多公司,日本Denso,下面是Delphi,还有Infineon。双面冷却可以充分利用碳化硅功率密度比较高的优点,降低电感提高冷却效果,提高主驱的功率密度,这是今后封装面临的主要的发展方向。碳化硅的一些主要的技术从IGBT跟散热方面有很大的差异,一个碳化硅的长度是硅的10倍左右,所以它的承受电压变成了厚度只有硅的十分之一,功率密度非常高。右边是同样的,可以看到IGBT配合二极管的总面积在150平方左右,碳化硅只有30个平方,同样的一个输出稳定功率密度是五倍左右,这是会带来很多散热方面的问题。这是不同的器件应用芯片里面的功率密度,常规硅的IGBT工作的时候功率密度在100W的水平,但是碳化硅在20Hz应用功率密度比硅提高一个数量级,可能几百到一千瓦/平方厘米,更接近水冷散热器的极限,在碳化硅里面可能今后需要进行更多的前沿方面的研究。

这是应用方面的一些主要问题,碳化硅可靠性以及阈值电压漂移的问题,阈值电压长期应用中会有一个永久性的漂移和可恢复的漂移,器件应用中要有更多的注意。驱动方面碳化硅,会带来很多EMI,电子兼容方面的问题,需要进行这方面的优化和升级。碳化硅的二极管跟常规的二极管有很大的差异,对性能需要进行更多的关注。

最后是对斯达碳化硅器件发展概况作一个简要的介绍,这是2020年的全球IGBT模块出货量的年度报告,斯达2019年在全球排在第七位,2.5%。这是包括所有的行业加在一起的。去年单年斯达的车用模块在国内装车量纯电动20万辆左右,整个国内的装车辆纯电动是111.5万辆,我们占比18%。我们在轻混48V去年是13万辆,整个国内33万辆,我们占比40%左右。

这个是我们产品的概况,是第一代产品,传统的P3、P4、C6.1的封装,目前都在大量的生产,芯片都是国产的。这是第二代P6和P7,电压750V。第三代目前处在小样阶段,双面焊接单面冷却,双面焊接单面Pin-fin冷却模块,双面焊接双面冷却,双面焊接分立器件。另外一块在OBC,大批量的出货配合国内的公司,一个月有2万多套的出货量,T7MOSFET是半沟槽模块,目前在批量供货,T8是基于IPM封装的,封了一些碳化硅的器件,这个也是目前主要封装了1200V的器件。

48V-BSG功率模块解决方案,是跟国内Tier1的企业开发,去年我们的出货量是13万套。右边是在开发的配合欧洲一个主流的Tier1公司针对6-phase的一个系统。这是目前的BSG的应用,给通用汽车,以及别克系列和雪佛兰系列。

碳化硅有P6系列,有1200V和750V的等级。最快会在2022年6月份开始进入量产,再一个N5和N6系列,750V和1200V,电流能力功率等级会比P6会更高一些,这个样件在今年第三季度左右提供。T6系列汽车级的单管,1200V和750V,芯片采用的银烧结工艺。双面冷却有N3和N7系列,今年年底会有相应的碳化硅的版本数量,结构同样采用双面银烧结技术。

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