從功率器件來說，主要是IGBT，我們首先需要有更低的損耗，提高驅(qū)動效率，降低溫升，幫助減少芯片面積，提高晶圓尺寸，降低成本。集成度提升也包括芯片面積減少還有更高的結溫和更高的可靠性。
本文為勵展博覽集團及NE時代于8月28-29日聯(lián)合主辦的 "第二屆AWC2019新能源汽車關鍵元器件技術大會" 演講嘉賓的現(xiàn)場實錄。
演講嘉賓：吳海平 比亞迪第六事業(yè)部IGBT芯片產(chǎn)品部高級研發(fā)經(jīng)理
演講主題：新能源汽車IGBT的技術進展
吳海平：各位嘉賓大家上午好，感謝NE時代組織的這場論壇，讓我有機會和大家分享一下相關技術進展。
我是來自比亞迪微電子的吳海平，比亞迪微電子是比亞迪的全資子公司，比亞迪微電子產(chǎn)品包括新能源汽車的功率半導體器件以及消費類的微電子產(chǎn)品。
整個新能源汽車市場近幾年在中國還有全球發(fā)展都非?？?，基本每年都維持了50%的增長，中國在全球市場應該占了60%的市場份額。我們根據(jù)搜集的數(shù)據(jù)做了一個預估，估計到2025年之后，新能源汽車預計會占到30%的市場份額，按照這樣的發(fā)展情況，后面對于功率器件需求會變得非常巨大。從去年開始，中國汽車市場開始下降，新能源汽車今年上半年仍維持了增長。但因為補貼政策的變化，導致接下來7月份的市場數(shù)據(jù)已經(jīng)開始降低。國家在新能源汽車補貼方面，2019年有明顯的變化，純電動汽車和PHEV都降低了50%以上，預計到2020年，國家補貼就沒有了，這樣會對新能源汽車市場持續(xù)增長帶來很大的挑戰(zhàn)。
為了使新能源汽車市場增長達到預期，需要大幅降低整車成本。新能源汽車中，大量使用了功率半導體器件。從全新一代唐的電氣結構圖可以看到，從電池出來，通過功率器件將直流電轉化成交流電，進行電機驅(qū)動?？照{(diào)系統(tǒng)也要用到功率器件IGBT，車載充電器、DC/DC也會用到功率器件，同時在充電樁方面也有大量的應用，所以功率器件在新能源汽車里面占了很大的比重。網(wǎng)上有些數(shù)據(jù)講在新能源汽車里面IGBT占的成本大概7%-10%，我的理解可能想說的是電控占了10%，IGBT占不了那么多。美國能源部給了2025年的規(guī)劃，在這里面對新能源汽車電控成本以及功率密度做了規(guī)劃，可以看到當前水平，100千瓦的電控成本在1000美金，希望到2025年降到2.7美金/千瓦，功率密度從現(xiàn)在18千瓦/升提高到100千瓦/升。除了電池以外，電控在整車里面占到第二位，功率模塊主要使用IGBT。如果提高了2.7美金/千瓦目標，按照100千瓦電控分解的話，希望在2025年，功率器件做到59美金。對于主機廠來說這是一個很好的期望，他們應該是想通過這種方式倒逼零部件供應商做出提升，但是對零部件供應商來說挑戰(zhàn)還是蠻大的，如果想完成這個目標，幫助新能源汽車實現(xiàn)市場目標，對我們來說需要做很多事情。
首先從功率器件來說，主要是IGBT，我們首先需要有更低的損耗，提高驅(qū)動效率，降低溫升，幫助減少芯片面積，提高晶圓尺寸，降低成本。集成度提升也包括芯片面積減少還有更高的結溫和更高的可靠性。圍繞這些要求我們看一下芯片技術是怎樣的。
這是歐洲一家比較有名的IGBT供應商，他們在電動汽車主要使用的是這幾種芯片技術。在目前電動汽車上，國內(nèi)大部分公司在300多V的平臺，他們使用的電壓主要是650V的IGBT，使用的是這家公司IGBT 3的技術。商用車，還有比亞迪乘用車都是在500V以上的電壓，這家公司推出的是IGBT 4的技術1200V IGBT。2017年，這家公司進一步推出了750V的技術，叫EDT2。IGBT3和IGBT4相比，IGBT4在同樣電壓下厚度更薄一些。750V的EDT2技術和650V的IGBT3相比，電流密度做了提升，大概提升了10%以上。最終在模塊中不止提升10%，在芯片定義的時候是提升了10%。飽和電壓從原來1.55V降低到1.15V，有非常大的提升，對于整車的能耗有非常大的貢獻。我們再關注到另外一個參數(shù)—短路耐量，這個參數(shù)如果不好的話當發(fā)生上下橋直通時IGBT會容易燒毀，所以IGBT都會有短路耐受時間的要求。對比幾種IGBT技術，發(fā)現(xiàn)該公司有減少短路耐受時間的趨勢。通過在系統(tǒng)上做更好的保護，減少對短路耐量的需求，保證損耗的參數(shù)能夠降得更低，使整車效率能夠提升，這是芯片發(fā)展的思路。比亞迪在去年推出IGBT4.0技術，當時對標的是競爭對手IGBT4，綜合損耗還要略低20%。
在電動汽車IGBT上另一個供應商是日本，日系IGBT廠家IGBT的技術路線不太一樣。日系IGBT主要也是做溝槽FS技術，接下來做的主要是往RC-IGBT方向走。IGBT在工作的時候需要有一個二極管進行續(xù)流，每個IGBT都匹配一個快恢復二極管。日系的趨勢就是把IGBT和二極管集成在一起，就是RC-IGBT，這種技術在很早的時候歐洲已經(jīng)開始做了，在電磁爐上使用。但是這種IGBT最大的難度在于FRD性能很難優(yōu)化。IGBT和FRD集成在一起，兩個東西要求剛好相反。在家電上使用時，對二極管要求不高，集成一個比較弱的快恢復二極管沒有問題。近兩年在小功率IPM上也有使用這種技術，對于大功率應用可以說日本是走在了前列。我得到的數(shù)據(jù)是在2016年日本已經(jīng)投放在出租汽車市場，裝了幾千輛車，經(jīng)過幾年運行，他們認為這種技術在大功率應用上已經(jīng)成熟，所以現(xiàn)在也開始在個人乘用車市場推廣這種技術。
把IGBT和FRD集成在一起，其好處就是在關斷時，IGBT中的電子能夠很快通過背面抽取出來，關斷速度比較快，有更優(yōu)VCEsat和EoFF折衷性能，折衷曲線離原點更近，從而整體功耗更小。第二，把兩個芯片集成在一起后，單芯片面積比原來單個IGBT和單個二極管都要大，每次工作要么是IGBT工作要么是二極管工作，這樣一來，對IGBT也好、對二極管也好，其熱阻也有明顯降低。因此性能更好，熱阻更低，面積也比兩個加一起減少了，控制器模塊也就可以做得就更小。缺點就是設計工藝比較復雜，二極管性能很難優(yōu)化，雖然集成一起，但不是一個最佳的狀態(tài)。
另外一種技術趨勢，就是功能集成化。我們功率器件包括IGBT在使用的時候，需要做過溫保護。目前過溫保護大部分都使用的是模塊里面集成的熱敏電阻，通過這個熱敏電阻檢測芯片是否過溫。但熱敏電阻離芯片有一定距離，不能實時反應芯片實際溫度。而且，熱敏電阻還有一定的熱容，和芯片之間的結溫有很大的差異。在一些功率模塊上，熱敏電阻的溫度和芯片結溫存在高達60℃的溫差，好一點的有30℃的溫差。如果保護芯片在150度以下，NTC到了80度就要保護了，導致要留很大的余量，所以，對于芯片保護來說有一個趨勢就是把溫度檢測直接放在芯片上。這里做了一個溫度傳感器，放在芯片的中間。實際上原理就是利用二極管VF隨著溫度的線性變化，只需要檢測二極管的VF之后就可以很清楚地知道芯片當時的溫度是多少，非常及時和準確，這是一種方向。另外，對于短路保護，是通過檢測IGBT的VCEsat。為了避免誤保護，需要一定的延時，一般在幾微秒。所以芯片需要幾微秒的短路耐量。在這種IGBT里面，如果引入具有電流檢測的單元，實際上就是和原來主IGBT并聯(lián)一個更小的IGBT，他的電流和主IGBT電流有一個分比，再串聯(lián)一個電阻，通過監(jiān)控電阻上的電壓，就能很及時精確知道IGBT的電流是多少，因此可以拋開短路保護直接做一個過流保護。比如正常IGBT工作在300A，可以把保護點設在500A來及時保護，保護比較快，減少對芯片短路耐量的依賴，進一步降低VCEsat，這一點在日系IGBT做得很明顯，歐美IGBT會直接給一個短路耐受時間，日系IGBT很多看不到給這個參數(shù)，或者不叫短路能量，而是給出短路能量。
剛才講的是芯片的技術發(fā)展。為了持續(xù)降低成本，另一方面就是晶圓的尺寸。功率器件對晶圓尺寸依賴不是很大，因為芯片內(nèi)的線條尺寸都比較大。但近年來新的概念就是剛才說的EDT2 IGBT，開始把尺寸做得更小，需要更好的產(chǎn)線。另外，更大的晶圓有利于提高生產(chǎn)效率。早期都是6寸，現(xiàn)在8寸是主流。這樣會帶來芯片成本持續(xù)的降低。
接下來看一下模塊技術，芯片都要封裝成模塊才能在車里面使用。模塊的基本結構是最上面是一個芯片，芯片通過焊料焊接到陶瓷覆銅板，然后將陶瓷覆銅板焊接到銅底板，使用時安裝到散熱器。功率模塊的技術涉及到焊接、散熱基材和模塊結構。芯片正面的引線在工業(yè)模塊基本都是采用的鋁線或者鋁帶，現(xiàn)在在汽車模塊上也慢慢出現(xiàn)了銅線或者焊接方式的引出。焊接早期是普通的SnAg焊料，現(xiàn)在采用的是更先進的焊料如SnSb，或者低溫Ag燒結或者銅燒結的方式。散熱基材使用的是增韌氧化鋁DBC，底板大部分是銅底板。模塊結構從平面底板散熱發(fā)展成帶針翅結構的直接水冷結構，再往后就是雙面散熱結構。
這是正面引線的示意圖，這是最常見的用鋁線連出來的，無論在汽車模塊還是工業(yè)模塊里面都是最常見的。鋁帶就是更寬一點。為了更好提高可靠性和散熱效率，銅線工藝被引入，需要在芯片正面淀積銅。更進一步在正面用銅帶或者銅片焊接出來。更一步，正面用銅塊焊出來，做出雙面散熱形式。這是正面引線的技術變化。
再看一下焊接工藝。剛才提到，IGBT模塊大部分使用的還是SnAg焊料，如果銅+氧化鋁的結構，普通SnAg焊料經(jīng)過2000次溫度循環(huán)，可以看到黑色的地方還是完好的，白色的地方已經(jīng)分層了，出現(xiàn)了很大的分層，但是SnSb焊料焊接界面完好。低溫Ag燒結采用的是納米銀顆粒代替焊料，在燒結過程中需要加很高的壓力，大概10兆帕，，溫度只需要200多℃，納米銀顆粒就把金屬層連接起來了。銀的熱導率非常低，厚度可以做得很薄。一般焊層100個微米，Ag燒結層20個微米，因此熱阻很低。銀的熔點達到962℃，熱循環(huán)能力高，工作溫度高。銀燒結最大缺點就是成本太高。經(jīng)過功率循環(huán)，上面兩根線是普通焊接之后熱阻的變化，下面是Ag燒結的變化，經(jīng)過4萬次循環(huán)之后，Ag燒結熱阻沒有任何變化，說明焊接層沒有任何退化。
Ag燒結已經(jīng)開始在功率模塊上使用了，但是還廣泛。在特斯拉的Model3上，功率模塊使用的就是Ag燒結技術。但Ag燒結也有缺點，有人提出低溫銅燒結，原理是一樣的，也是用納米銅顆粒，加壓力后去燒結。銅和銀相比，抗電遷移能力更好，銅熔點更高，因此有更好熱循環(huán)能力，而且便宜。如果提高到250℃做工藝循環(huán)，經(jīng)過1000次循環(huán)以后，銅燒結沒有任何變化，但是銀燒結還是出現(xiàn)了一些裂縫，也就是說銅燒結比銀燒結有更好的扛溫度循環(huán)能力。銅燒結將來有可能是一個趨勢，但是目前為止還是在實驗室階段。缺點就是在燒結的時候容易氧化，對燒結工藝要求這塊還是在不斷的摸索過程中。
接下來看一下基材，在功率模塊里面，大家常使用的包括陶瓷、底板，各種材料比如氧化鋁、氮化硅、銅等等，不同搭配的時候會對IGBT模塊壽命產(chǎn)生很大的影響。比如工業(yè)上常見的銅底板加氧化鋁DBC，經(jīng)過600次溫度循環(huán)就退化得很厲害，如果用增韌氧化鋁DBC 1000次循環(huán)只有很輕微的退化。所以汽車如果要用氧化鋁DBC上一定要用增韌的氧化鋁。
再介紹一下比亞迪電驅(qū)功率模塊技術路線。我們在最早推出第一代車用模塊，采用的是平板結構，這個結構是一個半橋，體積比較大，熱阻比較大。接下來推出直接水冷模塊，底板可以直接裝到散熱器上，熱阻降低非常明顯，功率密度提升也是很明顯的。在去年，最新雙面散熱模塊也推出了，這個模塊是兩面都可以散熱。下一代的碳化硅雙面水冷模塊正在開發(fā)中。
平面間接水冷模塊結構和剛才的圖差不多的，只不過上面加一個蓋板。其優(yōu)點就是供應商眾多，價格便宜，在商用車大家都喜歡用這種。但是壽命相對來說差一些。使用時需要要涂覆導熱硅脂。這是其中一些關鍵的技術，比如焊接要求、對綁線功率要求等。
直接水冷模塊，比亞迪有相應的一系列產(chǎn)品，如215、315和415系列。315系列是裝車最多的功率模塊，在秦、唐、宋上大量使用。415主要是在大巴和商用車、卡車使用。215針對A0級和A00級的小車，這種模塊底部不再做成平面，而是做成針刺狀的，散熱效率很高，熱阻降低40%，整個功率密度可以再作提升，體積可以做得更小，壽命更長。比亞迪全系列215、315、415都采用鋁碳化硅底板。
雙面散熱IGBT模塊，正面通過焊接方式，正面背面都有陶瓷覆銅板，可以進一步降低熱阻。從目前看到的數(shù)據(jù)，和直接水冷比，熱阻可以再降低30%以上，可靠性更高。這樣可以把功率密度很輕松做到20千瓦/升以上。在這種模塊里，進一步集成溫度采樣和電流采樣，系統(tǒng)設計變得更加方便。這種模塊最早期是豐田在雷克薩斯車輛使用的。最近很多車都使用了這種概念，這是德爾福的電驅(qū)，可以看到里面使用的都是雙面散熱模塊，只不過用的是比較小的模塊。這是早期的雷克薩斯上用的。雙面模塊用起來比較麻煩，因為散熱器要夾起來，這樣對控制器的組裝帶來很大的挑戰(zhàn)，所以有另外一個折中的方案，芯片正面不用引線，用銅片焊出來，正面不需要加散熱器，也能很好提高散熱效果。日立也推出一個雙面散熱模塊，而且在雙面散熱基礎上增加了針翅結構，這個針翅結構可以安裝到散熱器上。
前面主要講的是IGBT模塊，SiC也是繞不過去的話題。前面有嘉賓也有講到碳化硅要逐步用起來甚至替換IGBT。碳化硅優(yōu)點不再講了，能夠提高效率，減少控制器體積。問題就是成本高，目前主要在長續(xù)航電動車開始應用。技術瓶頸里面最明顯的比如短路耐量小、易干擾、VTH低，這都需要在芯片端解決。另外就是芯片正面引線，因為芯片面積小用普通芯片綁線工藝很難滿足提升功率密度的要求。另外芯片面積減小以后，熱阻會升高，這樣對于散熱設計要求較高。包括想提高工作溫度，現(xiàn)有的焊料也不能滿足要求。
這是國際上關于正面引線工藝改進方案，在正面芯片結構上用燒結方式覆蓋了一層銅，然后再打銅綁線，其功率循環(huán)結果很不錯。另外一個方案是在正面通過Ag燒結焊接一個銀片。在特斯拉model3中率先使用碳化硅模塊，芯片地面是Ag燒結，正面是銅片焊接出來。這是另外一家公司研發(fā)的碳化硅模塊，提出一種DBB技術，模塊是半橋結構，規(guī)格約是1200V，2.8毫歐。
比亞迪今年底將推出自己的碳化硅車用模塊，是具有Pin-fin的直接水冷結構，三相全橋，1200V/3.3 毫歐，結構緊湊，僅一個手掌大小，希望今年推出量產(chǎn)。
今天我的報告就到這里，謝謝大家。
