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(dòng)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(jié)溫和更高的可靠性。

本文為勵(lì)展博覽集團(tuán)及NE時(shí)代于8月28-29日聯(lián)合主辦的 "第二屆AWC2019新能源汽車關(guān)鍵元器件技術(shù)大會(huì)" 演講嘉賓的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(jí)研發(fā)經(jīng)理

演講主題：新能源汽車IGBT的技術(shù)進(jìn)展

吳海平：各位嘉賓大家上午好，感謝NE時(shí)代組織的這場(chǎng)論壇，讓我有機(jī)會(huì)和大家分享一下相關(guān)技術(shù)進(jìn)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(dǎo)體器件以及消費(fèi)類的微電子產(chǎn)品。

整個(gè)新能源汽車市場(chǎng)近幾年在中國(guó)還有全球發(fā)展都非?？?，基本每年都維持了50%的增長(zhǎng)，中國(guó)在全球市場(chǎng)應(yīng)該占了60%的市場(chǎng)份額。我們根據(jù)搜集的數(shù)據(jù)做了一個(gè)預(yù)估，估計(jì)到2025年之后，新能源汽車預(yù)計(jì)會(huì)占到30%的市場(chǎng)份額，按照這樣的發(fā)展情況，后面對(duì)于功率器件需求會(huì)變得非常巨大。從去年開始，中國(guó)汽車市場(chǎng)開始下降，新能源汽車今年上半年仍維持了增長(zhǎng)。但因?yàn)檠a(bǔ)貼政策的變化，導(dǎo)致接下來7月份的市場(chǎng)數(shù)據(jù)已經(jīng)開始降低。國(guó)家在新能源汽車補(bǔ)貼方面，2019年有明顯的變化，純電動(dòng)汽車和PHEV都降低了50%以上，預(yù)計(jì)到2020年，國(guó)家補(bǔ)貼就沒有了，這樣會(huì)對(duì)新能源汽車市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)帶來很大的挑戰(zhàn)。

為了使新能源汽車市場(chǎng)增長(zhǎng)達(dá)到預(yù)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(dǎo)體器件。從全新一代唐的電氣結(jié)構(gòu)圖可以看到，從電池出來，通過功率器件將直流電轉(zhuǎn)化成交流電，進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)?？照{(diào)系統(tǒng)也要用到功率器件IGBT，車載充電器、DC/DC也會(huì)用到功率器件，同時(shí)在充電樁方面也有大量的應(yīng)用，所以功率器件在新能源汽車?yán)锩嬲剂撕艽蟮谋戎?。網(wǎng)上有些數(shù)據(jù)講在新能源汽車?yán)锩鍵GBT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(guó)能源部給了2025年的規(guī)劃，在這里面對(duì)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(dāng)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?yán)锩嬲嫉降诙唬β誓K主要使用IGBT。如果提高了2.7美金/千瓦目標(biāo)，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(duì)于主機(jī)廠來說這是一個(gè)很好的期望，他們應(yīng)該是想通過這種方式倒逼零部件供應(yīng)商做出提升，但是對(duì)零部件供應(yīng)商來說挑戰(zhàn)還是蠻大的，如果想完成這個(gè)目標(biāo)，幫助新能源汽車實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)目標(biāo)，對(duì)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(dòng)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(jié)溫和更高的可靠性。圍繞這些要求我們看一下芯片技術(shù)是怎樣的。

這是歐洲一家比較有名的IGBT供應(yīng)商，他們?cè)?a href="http://www.licuiping.com.cn" target="_blank">電動(dòng)汽車主要使用的是這幾種芯片技術(shù)。在目前電動(dòng)汽車上，國(guó)內(nèi)大部分公司在300多V的平臺(tái)，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(shù)。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(shù)1200V IGBT。2017年，這家公司進(jìn)一步推出了750V的技術(shù)，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(shù)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(shí)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(duì)于整車的能耗有非常大的貢獻(xiàn)。我們?cè)訇P(guān)注到另外一個(gè)參數(shù)—短路耐量，這個(gè)參數(shù)如果不好的話當(dāng)發(fā)生上下橋直通時(shí)IGBT會(huì)容易燒毀，所以IGBT都會(huì)有短路耐受時(shí)間的要求。對(duì)比幾種IGBT技術(shù)，發(fā)現(xiàn)該公司有減少短路耐受時(shí)間的趨勢(shì)。通過在系統(tǒng)上做更好的保護(hù)，減少對(duì)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(shù)，當(dāng)時(shí)對(duì)標(biāo)的是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手IGBT4，綜合損耗還要略低20%。

在電動(dòng)汽車IGBT上另一個(gè)供應(yīng)商是日本，日系IGBT廠家IGBT的技術(shù)路線不太一樣。日系IGBT主要也是做溝槽FS技術(shù)，接下來做的主要是往RC-IGBT方向走。IGBT在工作的時(shí)候需要有一個(gè)二極管進(jìn)行續(xù)流，每個(gè)IGBT都匹配一個(gè)快恢復(fù)二極管。日系的趨勢(shì)就是把IGBT和二極管集成在一起，就是RC-IGBT，這種技術(shù)在很早的時(shí)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(gè)東西要求剛好相反。在家電上使用時(shí)，對(duì)二極管要求不高，集成一個(gè)比較弱的快恢復(fù)二極管沒有問題。近兩年在小功率IPM上也有使用這種技術(shù)，對(duì)于大功率應(yīng)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(chǎng)，裝了幾千輛車，經(jīng)過幾年運(yùn)行，他們認(rèn)為這種技術(shù)在大功率應(yīng)用上已經(jīng)成熟，所以現(xiàn)在也開始在個(gè)人乘用車市場(chǎng)推廣這種技術(shù)。

把IGBT和FRD集成在一起，其好處就是在關(guān)斷時(shí)，IGBT中的電子能夠很快通過背面抽取出來，關(guān)斷速度比較快，有更優(yōu)VCEsat和EoFF折衷性能，折衷曲線離原點(diǎn)更近，從而整體功耗更小。第二，把兩個(gè)芯片集成在一起后，單芯片面積比原來單個(gè)IGBT和單個(gè)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(duì)IGBT也好、對(duì)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(gè)加一起減少了，控制器模塊也就可以做得就更小。缺點(diǎn)就是設(shè)計(jì)工藝比較復(fù)雜，二極管性能很難優(yōu)化，雖然集成一起，但不是一個(gè)最佳的狀態(tài)。

另外一種技術(shù)趨勢(shì)，就是功能集成化。我們功率器件包括IGBT在使用的時(shí)候，需要做過溫保護(hù)。目前過溫保護(hù)大部分都使用的是模塊里面集成的熱敏電阻，通過這個(gè)熱敏電阻檢測(cè)芯片是否過溫。但熱敏電阻離芯片有一定距離，不能實(shí)時(shí)反應(yīng)芯片實(shí)際溫度。而且，熱敏電阻還有一定的熱容，和芯片之間的結(jié)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(jié)溫存在高達(dá)60℃的溫差，好一點(diǎn)的有30℃的溫差。如果保護(hù)芯片在150度以下，NTC到了80度就要保護(hù)了，導(dǎo)致要留很大的余量，所以，對(duì)于芯片保護(hù)來說有一個(gè)趨勢(shì)就是把溫度檢測(cè)直接放在芯片上。這里做了一個(gè)溫度傳感器，放在芯片的中間。實(shí)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(cè)二極管的VF之后就可以很清楚地知道芯片當(dāng)時(shí)的溫度是多少，非常及時(shí)和準(zhǔn)確，這是一種方向。另外，對(duì)于短路保護(hù)，是通過檢測(cè)IGBT的VCEsat。為了避免誤保護(hù)，需要一定的延時(shí)，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(cè)的單元，實(shí)際上就是和原來主IGBT并聯(lián)一個(gè)更小的IGBT，他的電流和主IGBT電流有一個(gè)分比，再串聯(lián)一個(gè)電阻，通過監(jiān)控電阻上的電壓，就能很及時(shí)精確知道IGBT的電流是多少，因此可以拋開短路保護(hù)直接做一個(gè)過流保護(hù)。比如正常IGBT工作在300A，可以把保護(hù)點(diǎn)設(shè)在500A來及時(shí)保護(hù)，保護(hù)比較快，減少對(duì)芯片短路耐量的依賴，進(jìn)一步降低VCEsat，這一點(diǎn)在日系IGBT做得很明顯，歐美IGBT會(huì)直接給一個(gè)短路耐受時(shí)間，日系IGBT很多看不到給這個(gè)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(shù)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(duì)晶圓尺寸依賴不是很大，因?yàn)樾酒瑑?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(huì)帶來芯片成本持續(xù)的降低。

接下來看一下模塊技術(shù)，芯片都要封裝成模塊才能在車?yán)锩媸褂?。模塊的基本結(jié)構(gòu)是最上面是一個(gè)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(shí)安裝到散熱器。功率模塊的技術(shù)涉及到焊接、散熱基材和模塊結(jié)構(gòu)。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(jìn)的焊料如SnSb，或者低溫Ag燒結(jié)或者銅燒結(jié)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(jié)構(gòu)從平面底板散熱發(fā)展成帶針翅結(jié)構(gòu)的直接水冷結(jié)構(gòu)，再往后就是雙面散熱結(jié)構(gòu)。

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(diǎn)。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(jìn)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(shù)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(jié)構(gòu)，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(jié)采用的是納米銀顆粒代替焊料，在燒結(jié)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(dǎo)率非常低，厚度可以做得很薄。一般焊層100個(gè)微米，Ag燒結(jié)層20個(gè)微米，因此熱阻很低。銀的熔點(diǎn)達(dá)到962℃，熱循環(huán)能力高，工作溫度高。銀燒結(jié)最大缺點(diǎn)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(jié)的變化，經(jīng)過4萬(wàn)次循環(huán)之后，Ag燒結(jié)熱阻沒有任何變化，說明焊接層沒有任何退化。

Ag燒結(jié)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(jié)技術(shù)。但Ag燒結(jié)也有缺點(diǎn)，有人提出低溫銅燒結(jié)，原理是一樣的，也是用納米銅顆粒，加壓力后去燒結(jié)。銅和銀相比，抗電遷移能力更好，銅熔點(diǎn)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(jié)沒有任何變化，但是銀燒結(jié)還是出現(xiàn)了一些裂縫，也就是說銅燒結(jié)比銀燒結(jié)有更好的扛溫度循環(huán)能力。銅燒結(jié)將來有可能是一個(gè)趨勢(shì)，但是目前為止還是在實(shí)驗(yàn)室階段。缺點(diǎn)就是在燒結(jié)的時(shí)候容易氧化，對(duì)燒結(jié)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(shí)候會(huì)對(duì)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(shù)路線。我們?cè)谧钤缤瞥龅谝淮囉媚K，采用的是平板結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)是一個(gè)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(gè)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(jié)構(gòu)和剛才的圖差不多的，只不過上面加一個(gè)蓋板。其優(yōu)點(diǎn)就是供應(yīng)商眾多，價(jià)格便宜，在商用車大家都喜歡用這種。但是壽命相對(duì)來說差一些。使用時(shí)需要要涂覆導(dǎo)熱硅脂。這是其中一些關(guān)鍵的技術(shù)，比如焊接要求、對(duì)綁線功率要求等。

直接水冷模塊，比亞迪有相應(yīng)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(duì)A0級(jí)和A00級(jí)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(gè)功率密度可以再作提升，體積可以做得更小，壽命更長(zhǎng)。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(jìn)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(jìn)一步集成溫度采樣和電流采樣，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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?yàn)樯崞饕獖A起來，這樣對(duì)控制器的組裝帶來很大的挑戰(zhàn)，所以有另外一個(gè)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(gè)雙面散熱模塊，而且在雙面散熱基礎(chǔ)上增加了針翅結(jié)構(gòu)，這個(gè)針翅結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(zhǎng)續(xù)航電動(dòng)車開始應(yīng)用。技術(shù)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?yàn)樾酒娣e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(huì)升高，這樣對(duì)于散熱設(shè)計(jì)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(guó)際上關(guān)于正面引線工藝改進(jìn)方案，在正面芯片結(jié)構(gòu)上用燒結(jié)方式覆蓋了一層銅，然后再打銅綁線，其功率循環(huán)結(jié)果很不錯(cuò)。另外一個(gè)方案是在正面通過Ag燒結(jié)焊接一個(gè)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(jié)，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(shù)，模塊是半橋結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，三相全橋，1200V/3.3 毫歐，結(jié)構(gòu)緊湊，僅一個(gè)手掌大小，希望今年推出量產(chǎn)。

今天我的報(bào)告就到這里，謝謝大家。