前言

國產(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)、國產(chǎn)化率相對較高”等特點。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、工藝相對復(fù)雜以及缺乏車規(guī)驗證機會等問題，國內(nèi)廠家依然在追隨海外廠家技術(shù)發(fā)展路線。在2023年深圳國際電子展論壇上株洲中車時代半導(dǎo)體有限公司副總經(jīng)理肖強給大家介紹了《車規(guī)級功率半導(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趨勢展望幾個方面做了詳細介紹。

車規(guī)級功率半導(dǎo)體器件的技術(shù)挑戰(zhàn)

國內(nèi)新能源汽車銷量快速增長——2030年預(yù)測將接近2000萬輛

市場規(guī)模持續(xù)增長：2023年上半年國內(nèi)新能源車銷量374.7萬輛，同比增長44.1%，市場滲透率達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2025年SiC替代率將達到~20%

高壓化

乘用車800V電壓平臺(泛指600V~900V電池電壓)，實現(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，同時兼顧器件損耗

高功率

電驅(qū)和電控向大功率等級方向發(fā)展，短時峰值功率輸出能力越來越高，實現(xiàn)更好的用戶體驗 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

時間效率——快速充電

快速充電對于減輕用戶的續(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

目前大部分電動汽車的續(xù)航里程(NEDC)在300—500km。未來需要繼續(xù)提高電驅(qū)和電機傳動系統(tǒng)的效率，以延長續(xù)航里程

高可靠性

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

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、機械振動耐受能力需同步提升

可靠性維度——建立壽命預(yù)測模型，仿真結(jié)合實際應(yīng)用多應(yīng)力綜合評估，實現(xiàn)壽命精確計算

對功率器件需求"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，是對器件設(shè)計和應(yīng)用的高挑戰(zhàn)

車規(guī)級功率器件的技術(shù)發(fā)展

先進微細加工技術(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

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”“可靠性保障的材料、工藝、結(jié)構(gòu)技術(shù)”三方面不斷演進。

1、芯片技術(shù)發(fā)展趨勢

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、更強魯棒性的需求

2、封裝技術(shù)發(fā)展趨勢

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

更強正面載流：提升長期可靠性，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，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針脫落問題

轉(zhuǎn)模環(huán)氧樹脂——高Tg(>250°C)，實現(xiàn)高溫絕緣保護；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

更強正面載流

DTS技術(shù)——雙面銀燒結(jié)+銅線鍵合，熔點超過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

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)用場景(單管、半橋)

車規(guī)級產(chǎn)品解決方案

1、芯片產(chǎn)品

a)中車第七代超精細溝槽柵STMOSIGBT芯片

超薄片技術(shù)：70μm 8英寸IGBT晶圓

亞微米精細元胞技術(shù)：臺面寬度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)中車第二代精細平面柵SiC芯片

SiCMOSFET芯片技術(shù)

引入載流子擴展層技術(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平臺產(chǎn)品

標稱電流：從 400A~1000A 等級

功率等級：覆蓋 40kW~200kW 等級

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平臺產(chǎn)品

7thSTMOS1200V/600AS3+

出流：790V/400A/8K，@Tvjmax=150°C

魯棒性：可通過800V對管常開三溫短路測試(被測15V，陪測18V)，保障系統(tǒng)安全

針對母線電壓800V應(yīng)用場景，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

針對母線電壓900V應(yīng)用場景，可與Sic模塊互補搭配，匹配高壓輔驅(qū)需求

7thSTMOS1200V/600A混合SiCS3+

芯片：SiC SBD無反向恢復(fù)電流，器件動態(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、更大功率平臺需求

在SiC和IGBT之外，為應(yīng)用端提供了第三個可選擇的產(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：通過改變SiC芯片數(shù)量，支持不同功率等級需求，可擴展至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，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+

精細溝槽柵技術(shù)

元胞尺寸1.8μm

比導(dǎo)通電阻1.8mΩ·cm2

未來趨勢展望

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：精準檢測，溫差小于8C，響應(yīng)速度遠高于NTC

電流傳感：短路保護速度高于退飽和檢測(保護時間1~2μs內(nèi))

精準保護，模塊功率輸出能力提升20%

2、應(yīng)用突破，新拓撲

SiIGBT/SiCMOSFET并聯(lián)混合拓撲

優(yōu)勢

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

靈活：采用多種控制策略，實現(xiàn)損耗、結(jié)溫、效率的多目標優(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)動復(fù)雜：5種以上控制策略，驅(qū)動控制選擇及設(shè)計難度大

適用范圍窄：芯片單獨柵控信號接口，僅適合單管或Tpak封裝

三電平拓撲-NPC、ANPC

三電平相比兩電平的優(yōu)勢

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)用于高電壓等級的場景

諧波含量更小：可產(chǎn)生多層階梯形輸出電壓，對階梯波再作調(diào)制

電磁干擾(EMI)問題減輕：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

拓撲和控制更復(fù)雜：需要12個(NPC)或18個(ANPC)驅(qū)動單元。

逼近硅極限，超越摩爾，升級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