比亞迪半導(dǎo)體車規(guī)級IGBT技術(shù)長足進(jìn)步！

芯師爺|Core master|

2022-03-10 11:36:25 14

行業(yè)新趨勢，中國核心動力！近日，由芯碩主辦的第三屆硬核中國芯片閱讀器峰會暨2021汽車芯片創(chuàng)新與應(yīng)用論壇成功舉辦。比亞迪半導(dǎo)體有限公司（以下簡稱“比亞迪半導(dǎo)體”）功率半導(dǎo)體產(chǎn)品中心*市場經(jīng)理孫云帥在線分享了《車用IGBT技術(shù)的最新發(fā)展》。
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistors）是汽車電氣化、控制電機(jī)、電控、電池等的核心技術(shù)元件，在汽車半導(dǎo)體中占非常高的比例。孫云帥在 IGBT 器件行業(yè)擁有 15 年經(jīng)驗，本次主題演講詳細(xì)介紹了汽車功率器件的技術(shù)進(jìn)步、研發(fā)難點和最新技術(shù)。

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比亞迪半導(dǎo)體功率半導(dǎo)體產(chǎn)品中心 *市場經(jīng)理孫允帥（視頻來源：芯師爺）

功率器件是汽車電動化的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)咨詢機(jī)構(gòu)的調(diào)研報告，2019年全球新能源乘用車銷量為221萬輛，2020年銷量達(dá)到310萬輛，2021年銷量將為500萬輛，2025年預(yù)計將達(dá)到2000萬輛。聚焦我國，根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)，2019年中國新能源汽車銷量為120萬輛，2021年銷量突破300萬輛。

按照《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》，在2025年新能源汽車銷量將達(dá)500萬輛，新能源汽車新車銷售量達(dá)到汽車新車銷售總量的20%左右。同時，該規(guī)劃指出要深化“三縱三橫”研發(fā)布局：“三縱”即純電動汽車、混合動力汽車以及氫燃料電池汽車；“三橫”為動力電池與管理系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)與電力電子、網(wǎng)聯(lián)化與智能化技術(shù)。

需要指出的是，功率器件是汽車電動化的關(guān)鍵技術(shù)，主要用于主電控、DC-DC、車載充電器及充電樁以及用于汽車空調(diào)控制系統(tǒng)、PTC加熱控制器等的其他應(yīng)用。在 IGBT 領(lǐng)域，根據(jù) Omdia統(tǒng)計，以 2019 年 IGBT 模塊銷售額計算，比亞迪半導(dǎo)體在中國新能源乘用車電機(jī)驅(qū)動控制器用 IGBT 模塊全球廠商中排名第二，市場占有率 19%，在國內(nèi)廠商中排名*，2020年在該領(lǐng)域保持全球廠商排名第二、國內(nèi)廠商排名*的*地位。功率器件國產(chǎn)化尚存較大空間，除了應(yīng)用于汽車市場之外，功率器件還廣泛用于工業(yè)、消費等領(lǐng)域。車規(guī)級功率器件發(fā)揮了控制直、交流電的轉(zhuǎn)換；決定驅(qū)動系統(tǒng)的扭矩（汽車加速能力）；決定最大輸出功率（汽車最高時速）等功能。以電機(jī)驅(qū)動為例，功率器件一方面決定了電機(jī)的輸出扭距，進(jìn)而直接決定了汽車的加速能力；同時電機(jī)的最大輸出功率也由功率器件來決定，也就是汽車的最高行駛速度決定于功率器件。因此，車規(guī)級功率器件研發(fā)制造難度極高，其一是芯片技術(shù)工藝特殊復(fù)雜，另外封裝技術(shù)遠(yuǎn)高于工業(yè)要求。

比亞迪半導(dǎo)體車規(guī)級IGBT的技術(shù)突破

比亞迪半導(dǎo)體以車規(guī)級半導(dǎo)體為核心，致力于打造集成化和協(xié)同化的應(yīng)用平臺，以實現(xiàn) 更低的損耗、更高的集成度、更高的工作結(jié)溫（>200度）、更高的可靠性以及更低的成本。
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（圖源：比亞迪半導(dǎo)體）
具體而言，IGBT芯片需要 更薄的晶圓厚度 ，但要應(yīng)對耐壓余量、高溫漏電、關(guān)斷軟度、短路耐量等挑戰(zhàn)。另一方面，IGBT芯片要實現(xiàn) 溝槽的精細(xì)化 ，需考慮不同性能指標(biāo)之間的優(yōu)化折中。

除了在傳統(tǒng)的硅材料方面做進(jìn)一步的性能提升之外，比亞迪半導(dǎo)體也在積極布局第三代碳化硅（SiC）功率器件。以電控系統(tǒng)為例，在0-4500rpm區(qū)間，比亞迪半導(dǎo)體基于SiC器件做的電控系統(tǒng)整體效率比硅材料器件 效率提升5%-8% 。由于效率的提升，可以進(jìn)一步造成電控系統(tǒng)的體積縮小，并且實現(xiàn)更低的損耗、更低的熱阻、更長的壽命以及更好的拓展性。
同時在封裝層面，比亞迪半導(dǎo)體實現(xiàn)了技術(shù)突破，通過把芯片直接焊接到上下兩面的散熱水冷上，實現(xiàn)雙面直接水冷。

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（電驅(qū)功率模塊技術(shù)的組成圖源：比亞迪半導(dǎo)體）

電驅(qū)功率模塊技術(shù)發(fā)展

正面互連
由于銅的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋁線。比亞迪半導(dǎo)體新型的車規(guī)模塊都是采用銅鍵合的方式讓芯片正面與DBC鍵合，進(jìn)一步提升芯片的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能。
銀燒結(jié)

芯片傳統(tǒng)的焊接工藝一般使用錫焊，而錫的熔點的一般是230度左右，無法達(dá)到半導(dǎo)體材料超過200度的工作溫度要求。比亞迪半導(dǎo)體通過銀燒結(jié)工藝解決了這一難點，芯片工作溫度在200度以上時，也可以實現(xiàn)非常高的熱循環(huán)能力。

低溫Ag燒結(jié)：
低的熱導(dǎo)率：熱阻更低
厚度只有焊接層1/5：熱阻更低高達(dá)962℃的熔點：熱循環(huán)能力高，工作溫度高高成本

雙面散熱
比亞迪半導(dǎo)體雙面散熱技術(shù)具有幾方面的特點：很強(qiáng)的雙面散熱能力，熱阻降低30%以上；模塊可靠性更高；集成在片式溫度采樣和電流采樣；安裝工藝比較簡單，有利于實現(xiàn)高功率密度的電控系統(tǒng)。

（圖源：比亞迪半導(dǎo)體）

值得注意的是，在比亞迪暢銷車型“漢”應(yīng)用的一款SiC模塊，采用Pin-fin直接水冷結(jié)構(gòu)，輸出功率可達(dá)250KW。這款SiC MOSFET在比亞迪“漢”、“唐”四驅(qū)等旗艦車型上已大批使用，助力“漢”車型百公里加速達(dá)到3.9s，并降低了能耗，累計裝車量目前居于行業(yè)*地位，引領(lǐng)了行業(yè)發(fā)展。

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（圖源：比亞迪半導(dǎo)體）

寫在最后

據(jù)公開資料顯示，功率半導(dǎo)體方面，比亞迪半導(dǎo)體擁有從芯片設(shè)計、晶圓制造、模塊封裝與測試到系統(tǒng)級應(yīng)用測試的全產(chǎn)業(yè)鏈 IDM 模式。在 IPM 領(lǐng)域，根據(jù) Omdia最新統(tǒng)計，以 2019 年 IPM 模塊銷售額計算，比亞迪半導(dǎo)體在國內(nèi)廠商中排名第三，2020 年IPM 模塊銷售額保持國內(nèi)前三的*地位。在 SiC 器件領(lǐng)域，公司已實現(xiàn) SiC模塊在新能源汽車高端車型電機(jī)驅(qū)動控制器中的規(guī)模化應(yīng)用，也是全球首家、國內(nèi)*實現(xiàn) SiC 三相全橋模塊在電機(jī)驅(qū)動控制器中大批量裝車的功率半導(dǎo)體供應(yīng)商。

除功率半導(dǎo)體外，比亞迪的半導(dǎo)體產(chǎn)品線還涵蓋智能控制IC、光電半導(dǎo)體、智能傳感器、晶圓制造和服務(wù)。近年來，日本積極支持半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在家電、工業(yè)等領(lǐng)域逐步實現(xiàn)進(jìn)口替代。雖然在汽車級半導(dǎo)體領(lǐng)域有所突破，但仍處于弱勢。比亞迪半導(dǎo)體功率半導(dǎo)體產(chǎn)品中心*營銷經(jīng)理孫云帥表示，公司繼續(xù)堅持開放、合作、共贏的原則，為客戶提供前沿的汽車級半導(dǎo)體解決方案，高效智能。新型集成半導(dǎo)體供應(yīng)商。

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