广东芯聚能总裁周晓阳:SiC功率模块在新能源汽车中的应用及其挑战

日期:2020-12-11 来源:第三代半导体产业网阅读:1334
核心提示:广东芯聚能半导体有限公司总裁周晓阳发表了《SiC 功率模块在新能源汽车中的应用》的主题演讲,以其三十多年的半导体行业从业经验,总结了当下碳化硅功率模块在新能源汽车产业链中应用的情况。
近日,2020第三代半导体支撑新能源汽车创新发展高峰论坛在广州南沙举行。
 
广东芯聚能半导体有限公司总裁 周晓阳出席论坛并分享主题报告
 
会上,广东芯聚能半导体有限公司总裁周晓阳发表了《SiC 功率模块在新能源汽车中的应用》的主题演讲,以其三十多年的半导体行业从业经验,总结了当下碳化硅功率模块在新能源汽车产业链中应用的情况。
广东芯聚能半导体有限公司总裁 周晓阳
 
在过去的两年时间里,全球市场也发生了些“微妙”的变化:SiC衬底供应开始严重不足,但是数个关键公司和Cree/其他签署了长期供货协议。Cree供应全球40%的SiC wafer,并宣布在未来5年投资10亿美元,扩展衬底生产产能,其他衬底供应商也在扩产。Infineon(英飞凌)收购了具有衬底制造技术的Siltectra;ST收购了Norstel55%的股权,On Semi 自研衬底等等。
 
这主要原因是特斯拉开始引入SiC MOSEFT到主驱上并迅速量产,并被市场广泛接受,客户反应良好。紧跟着,国产新能源车也开始引入SiCMOSFET到主驱上,效果反应良好。随着SiC衬底逐渐起量,价格也开始下降。SiC 市场从以二极管为主逐渐过渡到以MOSFET为主(国际市场)。
 
从全球几大SiC国际大厂的发展战略来看,ST最早量产并大量应用于特斯拉,并用较低的价格抢占市场份额,以达到规模经济,其2019年收购Norstel,向上垂直整合发展,且在向8寸过度。
 
与此同时,Cree和Rohm也通过向下垂直整合的方式推动产品开发,并向8寸过渡以达到器件级别的价格竞争力;而英飞凌则是硅基IGBT 12寸和SiC双轮发展,在封装有规模价格优势;此外,Tier1厂商的博世也布局参与第一梯队的竞争。
 
在整车厂及Tier1引入SiC的情况方面,周晓阳指出,目前博格华纳、欣锐科技、吉利汽车、大众及BYD等企业布局OBC领域,特斯拉、丰田、本田、BYD,吉利及蔚来等企业积极布局主驱,而DC-DC领域主要有欣锐科技、特斯拉、吉利汽车、BYD等公司。
 
周晓阳特别强调,目前这个领域会有越来越多玩家进入,随着行业快速发展,整个市场布局也是瞬息万变,上述名单也不是非常全面。
 
之所以在这几个方面能快速吸引玩家进入,与碳化硅的“价值主张”密不可分。周晓阳认为,相比硅材料,碳化硅可实现更高结温,更高频率,更高耐压,这样就给电动汽车更有效的电驱控制,提高续航里程,减少电池消耗,也可减少整个电驱系统的体积与重量;可用于速度更快、容量更高的的车载充电方案;由于碳化硅优异的性能表现及本身成本的不断降低(材料工艺更加成熟),将带来系统级成本优势以及加速其在纯电动市场上的应用,基于此,碳化硅未来存在巨大的增长机会。


 
尽管未来前景很好,但碳化硅芯片本身具有场强、能隙、热导率、熔点、电子迁移率等方面的新特性,对封装提出了新要求和挑战,要想从设计到产品量产,其中的工艺实现要经历应用环境、严苛的可靠性要求、质量成本、新工艺检测方法、标准规范性挑战诸多严苛的挑战。
 
作为封装领域具有三十多年经验的老兵,周晓阳从结构、材料、集成和工艺等方面展示了对碳化硅的热力和电感等封装设计优化的思路。
 
周晓阳将碳化硅的封装形式分为三类:第一类为分立器件封装,它具有标准化、大产量、低成本等优势,适合于IDMs&OSAT的特点;第二类为二合一到四合一的小模块,它具有更大的设计及尺寸灵活性、更好的散热等特点,对OSAT相对门槛较低,比功率模块的量大;此外,还有非标准化的功率模块,相对小批量多品种,这类封装的技术挑战大、门槛高。芯聚能主要发力后两类模块。
 
周晓阳表示,新型银烧结工艺可以有效的提高芯片连接可靠性,极大的提高导热能力,但其工艺的实现,质量判断的标准和方法仍然对很多企业存在诸多挑战。
 
SiC模块在封装设计同样面临诸多挑战。SiC晶圆和衬底国内较少、芯片价格高、封装研发成本较高,面临成本挑战。过去主要以代工为主,封装研发设计积累不深,科研体系与产业衔接起步阶段,在设计环节面临着技术储备挑战。新型先进材料和工艺仍以进口为主,对产品实现性,在材料与设备环节面临硬件设施挑战。同时,主流CAE软件国外为主,成本较高,技术支持和经验积累较薄弱,面临着软件支持挑战。
 
周晓阳认为,正因为全球SiC产业化刚刚开始,国内产业起步虽晚,但推动力度大进度快,封装技术瓶颈和差距依然具备追赶并进的机会。
 
报告中,周晓阳现场详解了关于SiC模块在静态测试、动态测试及可靠性方面存在的挑战。关于SiC模块的静态测试挑战:相比IGBT器件,SiC器件具有自身的材料特性,测试方法也需要做出相应的调整。1)针对Vgsth的测量,在不同栅极脉冲测试顺序后,结果会发生偏移;2)大功率模块采用多芯片并联;相比IGBT,SiC MOSFET的器件电气参数具有更大分散性,在模块并联配置时需要更准确的分组设置和测试方法。
 
关于SiC模块的动态测试挑战:相比IGBT器件,SiC器件开关速度更快,受寄生参数的影响也更大:1)SiC器件栅极电压工作范围相对IGBT更小,在双脉冲测试时需考量栅极电压波动幅度,以避免上下桥直通;2)双脉冲测试系统杂散电感对SiC器件波形影响更大,导致读值异常;3)SiC器件在大电流关断时di/dt高,模块会承受较大的电压应力,电压尖峰容易超过安全工作区。
 
关于SiC模块的可靠性挑战:SiC芯片本身的本征可靠性问题有SiC 材料缺陷引起的可靠性问题,SiC Fab 工艺(或材料缺陷和工艺共同)引起的可靠性问题;模块封装的传统可靠性问题及SiC特殊封装工艺相关的可靠性问题,提高可靠性的对策, 改进衬底制造,芯片制作工艺,封装工艺,提高可靠性;芯片级别的老化筛选,剔除早期缺陷。
 
最后,周晓阳介绍了公司自主开发了SiC车载主驱模块最新进展。2020年8月完成了1200V/750V多个版本的设计定型;10月完成了A样试制,采用了高温高压银烧结技术,目前产品通过了主机厂性能测试。
 
周晓阳透露,“计划与明年达到SOP状态,2021年的产能目标超过3万块/月。”
 
芯聚能是面向新能源汽车及一般工业产品功率芯片设计,功率模块开发制造的高科技技术企业,专注于IGBT/SiC功率模块及功率器件研发、设计、封装、测试及营销业务,为客户提供完整的解决方案。芯聚能管理与技术团队主要来自欧美日大公司,以海外高端技术与产业化人才为核心,具有国际知名半导体公司工作经验,涵盖了芯片设计、研发、工艺开发、测试验证及应用方案、生产运营及品质管理等各个方面领域。
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