前言

国产功率半导体已在众多领域应用，特别是低端产品，如二极管、三极管、晶闸管、低压 MOSFET（非车规）等，已初现“规模化效应、国产化率相对较高”等特点。在中高端领域，如 SJ MOSFET、IGBT、碳化硅等，特别是车规产品，由于起步晚、工艺相对复杂以及缺乏车规验证机会等问题，国内厂家依然在追随海外厂家技术发展路线。在2023年深圳国际电子展论坛上株洲中车时代半导体有限公司 副总经理 肖强 给大家介绍了《车规级功率半导体技术挑战与整体解决方案》。主要围绕车规级功率半导体器件的技术挑战、技术发展、产品解决方案以及未来趋势展望几个方面做了详细介绍。

车规级功率半导体器件的技术挑战

国内新能源汽车销量快速增长——2030年预测将接近2000万辆

市场规模持续增长：2023年上半年国内新能源车销量374.7万辆，同比增长44.1%，市场渗透率达28.3%

电驱功率不断抬升：≤70kW电驱占比缩小，≥130kW电驱占比增加

SiC器件替代率提高：预计2025年SiC替代率将达到~20%

高压化

乘用车800V电压平台 (泛指600V~900V电池电压)，实现电池快充

提升电池电压，降低电流 - 减少互联材料用量，降低整车重量，降本并节省空间

整车电气架构高压化，要求器件耐压能力提升，同时兼顾器件损耗

高功率

电驱和电控向大功率等级方向发展，短时峰值功率输出能力越来越高，实现更好的用户体验

电驱和电控向高功率密度方向发展，节省整车空间，降低整车重量

高功率密度电驱系统，要求功率器件出流能力更高，体积更小、重量更轻

高效率

时间效率——快速充电

快速充电对于减轻用户的续航焦虑非常重要。主流快充技术目前充电速度在50-150kW，未来需要更高功率快充。

降低成本

更高的电驱效率，能够节省更多的电池成本。

提高续航里程

目前大部分电动汽车的续航里程 (NEDC)在300—500km。未来需要继续提高电驱和电机传动系统的效率，以延长续航里程

高可靠性

电驱系统寿命要求越来越长，需要功率器件可靠性高，使用寿命长

技术维度——功率循环能力需提升3倍以上，环境耐受能力、机械振动耐受能力需同步提升

可靠性维度——建立寿命预测模型，仿真结合实际应用多应力综合评估，实现寿命精确计算

对功率器件需求"既要低损耗 (高续航)，又要高极限能力"

既要和又要”体现出对器件综合性能要求更高，包括开关特性、通态特性和电压能力

如何做到综合性能的均衡性，是对器件设计和应用的高挑战

车规级功率器件的技术发展

先进微细加工技术支持IGBT芯片技术逐步逼近硅材料极限

SiC技术在材料和工艺技术的基础上发展，不断演进

封装技术围绕“高载流、高散热、高结温”、“功率密度提升的热电耦合设计”“可靠性保障的材料、工艺、结构技术”三方面不断演进。

1、芯片技术发展趋势

更低成本

更高功率密度

更高工作结温

芯片技术的发展，匹配功率器件更低损耗、更大出流、更强鲁棒性的需求

2、 封装技术发展趋势

更高工作结温：最高工作结温至175°C以上，提升功率密度

更强正面载流：提升长期可靠性，满足大电流应用

更优背面散热：更优散热流道设计，结合低热阻封装方案，提升器件出流能力

封装技术的发展，匹配功率器件更高功率密度、更高可靠性需求。

更高工作结温

特种焊接技术——Pin针+端子超声，建立高质量互连，避免更高结温应用PIN针脱落问题

转模环氧树脂——高Tg(>250°C)，实现高温绝缘保护；树脂固化作用，PC能力提升3倍以上

更高结温的应用，牵引了更多新材料的技术发展

更强正面载流

DTS 技术——双面银烧结 + 铜线键合，熔点超过800°C，功率循环能力10倍以上

Cu-clip 技术 ——减小模块内阻，降低静态损耗，降低热耦合，器件出流提升

芯片正面互联新工艺的引入，可以有效提升芯片的正面载流能力。

更优背面散热

降低接触热阻——银烧结技术 —界面热阻降低10%以上

降低传导热阻——高导热陶瓷技术 —DBC层热阻降低15%以上

新结构增强换热——高效基板散热技术 —模块热阻降低20%以上

新封装结构

框架封装——耐受更高温度，更高功率密度，更小模块体积，更低电感设计

转模封装——适用高结温应用 (SiC芯片)，高良率，低成本，满足客户定制化应用场景(单管、半桥)

车规级产品解决方案

1、芯片产品

a)中车第七代超精细沟槽栅 STMOS IGBT 芯片

超薄片技术：70μm 8英寸IGBT晶圆

亚微米精细元胞技术：台面宽度0.6μm ，接触尺寸0.2μm

高可靠性复合金属膜层技术：功率循环能力提升40%以上

b)中车第二代精细平面栅 SiC芯片

SiC MOSFET 芯片技术

引入载流子扩展层技术、薄片技术及栅氧迁移率提升：比导通电阻降低至3.5mΩ·cm2以下

超高温热氧化技术：抑制栅氧界面缺陷，扩展栅极电压窗口，提升产品可靠性水平

SiC SBD 芯片技术

零反向恢复损耗

薄片技术提升电流密度至300A/cm2

2、 400V 平台产品

路过

雷人

握手

鲜花

鸡蛋