当前位置: 南安普敦vs曼联视频 > 新闻 > 技术交流 > 百人会论坛2020|伍理勋:车规级功率半导体器件的认识和理解

百人会论坛2020|伍理勋:车规级功率半导体器件的认识和理解

2020-01-12 作者:诺一 来源:中国客车网

南安普敦vs曼联视频 www.tafzpf.com.cn   2020年1月10-12日,以"把握形势聚焦转型引领创新"为主题,由中国电动汽车百人会精心策划第六届年度论坛--中国电动汽车百人会论坛(2020)在北京钓鱼台国宾馆正式召开,会议继续秉持"传递权威信息、广泛展开讨论、促进沟通合作"的目标,试图帮助业界人士梳理分析产业形势,探讨及回应产业关切的问题,寻找今后3-5年产业调整的方向及路径。

  论坛现场,中车时代电动汽车股份有限公司首席专家伍理勋发表了主题演讲。

  以下为伍理勋老师的演讲实录:

中车时代电动汽车股份有限公司首席专家伍理勋

  大家好!我今天阐述一下对车规级功率半导体器件的认识和理解。

  主要从以下四个方面:

  电动汽车首先是电动化,功率半导体是汽车电动化最核心的器件,我们说是电动汽车之芯,是实现能量转换的最核心的部件。以一个车为例,一个撤一台控制器,用一个六单元的IGBT会用到36个芯片、240个元胞,是一个大的集成器件。我们谈功率半导体的时候都会讲到芯片和???,下面的汇报思路也是按照芯片和??檎飧鏊悸防椿惚ǖ?。

  从IGBT芯片发展现状和发展过程可以看出来,经过多次技术迭代以后,从平面栅、构槽栅、到精细构槽栅到逆导结,性能都在不停提升和发展过程中。目前我们看到这几个企业相关产品代次的对于关系,这其中包括中车的产品。

  除了IGBT以外,现在碳化硅也是目前行业研究的热点,国内外都在做相关的技术研究,我们与国外的技术还是有代的差异的,包括Cree已经到第三代,中国还是第一代的水平。产业体系方面,国外6英寸、8英寸,中国可能还在4英寸的水平。芯片以外就是???。??榫褪前研酒庾俺梢桓霾考?,现在我们在车规级的线上可以看到大概有三种??樾问剑旱谝恢直曜寄??,第二种是分离机械加双面冷却,第三种是集成化组件,都有一些相关的车企或者零部件公司都有相应的方案。

  标准???。我们看多比较有代表性的就是英飞凌,富士,国内中车也有相应的产品,主要特征就是Pin—Fin结构等。目前的水平单??榭梢宰龅?00多千瓦的水平。另外一个??榧际趼废呔褪撬胬淙醇际趼废?,主要是可以降低热阻,比普通的工业级??槿茸璧?0%到50%,平面封装形式可以降低杂散参数、提高可靠性,下面的图展示了双面冷却??榉⒄沟募际趼废?。

  碳化硅的封装形式,目前大概两种,一个是标准的TO封装,还有就是类似于IGBT的封装形式,TO封装和标准??榉庾案饔杏湃钡?,这里简单列了一下,而且可以看到主要的半导体厂家都已经推出了碳化硅器件,包括中车。各种功率半导体器在汽车领域的应用我们列了一张表,商用车、乘用车、车载便流器可能有不同的应用要求。比如说商用车,大部分目前为止还是平板散热这种方式,乘用车双面冷却和Pin—Fin是主要的技术路线,电源产品可能更多是TO封装这种形式,未来我们认为碳化硅、高效散热、集成化是未来主要的技术路线和方向。

  现在车规级器件还有很多技术难点需要我们攻克。首先芯片角度,车对芯片的要求,我们概括有以下三个方面:更低成本、更高功率密度、更高工作结温,因为这是车的应用环境所决定的。

  围绕解决成本的问题,主要思路是把晶圆做到,从4英寸、6英寸,到8英寸、到12英寸,都是降低成本的手段。大尺寸晶圆可以提升产品的一致性,以8英寸、12英寸为例,单片数量会增加125%。为了提高功率密度,首先是芯片性能的提升,到现在电流能力从最早的200安培/平方厘米,现在可以到350,未来可以到500。围绕提高功率密度还有一种方法,精细沟槽删技术做到亚微米级以后,损耗进一步降低,也是提高功率的有效手段?;褂邪丫г沧霰?,越薄热阻越低、损耗越低,从85uM降到65uM,损耗可以降低20%。

  把芯片集成也可以提供功率密度,一般知道一个IGBT都会有一个二极管,我们把二极管和IGBT结合在一起,叫逆导IGBT,还把传感也结合在一起,可以降低损耗、提高功率密度,同时也可以提高芯片的智能化程度。

  为了提高IGBT的环境适应性,提高工作温度也是必须解决的问题,提高温度的适应性主要两个方案,一个是采用新型的终端材料,另外一个是采用新型器件。

  ??榉⒄顾俣缺刃酒姆⒄顾俣嚷恍?,主要面临一些问题,我们列了两个方面:“电感—热组”边界效应的设计问题,还有热功率密度提升带来的可靠性问题。针对这些问题我们也提出了一些解决方案:第一,机电的设计,主要解决问题是降低热组,同时把参数进一步优化。第二,让芯片的静态、动态的均流性进一步提升,让温度分布更加均匀。

  另外,提高功率密度带来的可靠性问题,主要体现在三个方面:芯片正面的互联线、绑定线的可靠性,还有芯片背面焊接的可靠性,还有材料的适应性问题。针对第一个问题,绑定性的可靠性,我们现在主要解决方案是采用平面键合的方案,可以有效的提高连接端子互联的可靠性?;褂幸桓龇桨甘钦娼鹗艋?,通过烧结技术提高焊接的可靠性,我们有一个数据可以让热循环寿命提高60多万次的水平,标准3万次就可以?;褂幸桓鎏岣呖煽啃缘姆桨溉嵝曰チ际?,可以提高端子的可靠性?;褂幸桓龇桨甘且?铜烧结技术,可以把热组降低25%,可靠性可以成倍提升。

  提高IGBT环境适应性的四个方面,在灌封材料、导热硅子都在做相应温度的提升,能耐受到175度的环境要求。

  另外一个提高可靠性的方案,提高散热性能。现在普遍采用的方案就是以下两种,一个是直接水冷,另外一个就是双面散热技术,都可以降低热组、提高产品的可靠性。

  除了芯片、??榈囊恍┠训阋酝?,在国内产业化方面也面临一些问题。首先是一些制造设备、关键材料主要依靠进口,另外是人才的短缺也是制约技术进步的一个重要方面。

  下一代IGBT发展趋势,我们主要谈以下几个方面。

  第一,超结技术。超结IGBT技术可以比传统IGBT技术在损耗方面进一步降低,同时可以提高MOSFET的耐压性能。

  第二,新型半导体技术,其中最主要的就是碳化硅的技术,可以使系统都在高温、高效、高速下运行,可以进一步优化系统设计参数。

  第三,氮化钾,但是氮化钾这个外延生成的形式很难大电流,变流器功还是更多使用碳化硅。

  第四,硅基IGBT和SIC MOSFET结合在一起的功率半导体技术,理论上可以工作在更高的频率,而且损耗还低。

  前面讲到行业的情况,还是把中车的情况给大家做一个简要汇报。

  中车IGBT研究有十多年的历史,但是半导体的研究有几十年的历史。汽车级IGBT研究是从2010年开始的,通过这几年研发已经推出了很多应用于汽车的IGBT。芯片能力从2008年并购Dynex开始已经到了第六代。??榉庾胺矫?,我们也做了多种形式,满足不同环境的要求,包括半桥、全桥的??槎加?,也有相应的双面冷却???,最大电流可以做到1000安培。产品型谱里面,涵盖了30千瓦到200千瓦的产品需求。

  现在主要讲几个典型的产品:这个内部叫S2???,可以开发出满足50多千瓦到70千瓦的功率等级,用于A级车以下的乘用车产品,这是我们相应的IGBT和相应产品的实物图?;褂幸桓鍪荢3(+)???,可以做到150千瓦到200千瓦的水平。商用车领域我们也推出了1200V、600A的M1??楹虷PD???,用于了相应的车型。目前为止我们所有这些产品市面上能够使用的数量,在我们内部配套数量超过5万支IGBT。

  在碳化硅研究方面,我们承担了国家的一个项目,现在已经开发出1200V、400A的???,同时开发出功率密度已经做到30.8千瓦的水平,这是我们中期检查的实际情况。

  总的来说,新能源汽车对IGBT的需求是与时俱进的,在不停地提升,对功率密度、可靠性、成本方面都提出越来越高的要求。我们认为IGBT还是有相当长的生命周期,同时碳化硅发展速度可能会超出预期。依托我们中国新能源汽车大的平台,我们认为通过行业的共同努力,IGBT技术从跟随到领跑这种跨越,应该在大家努力下指日可待。

  谢谢大家!

阅读量:
技术交流
中国客车网[南安普敦vs曼联视频 www.tafzpf.com.cn]版权及免责声明:
1、凡本网注明“来源:南安普敦vs曼联视频 www.tafzpf.com.cn” 的所有作品,版权均属于中国客车网,未经本网授权,任何单位及个人不得转载、摘编或以其它方式使用上述作品。已经本网授权使用作品的,应在授权范围内使用,并注明“来源:南安普敦vs曼联视频 www.tafzpf.com.cn”。违反上述声明者,本网将追究其相关法律责任。
2、凡本网注明 “来源:XXX(非中国客车网)” 的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。
3、如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在30日内进行。
※ 有关作品版权事宜请联系:copyright#www.tafzpf.com.cn
品牌推荐 更多>>
南京金龙公司总部新厂区位于南京溧水开发区,旗下有大客车、轻型车、乘用车...
新闻专题 更多>>
2019-2020第14届影响中国客车业年度盘点系列活动启动了。这一年,哪些有影...
2019年站在新中国成立70周年重要的历史节点,我们开展“平安公交 感恩同行...
微信 分享 咨询 电话 顶部
×
中国客车网微信二维码
×
×
400-660-0262