车规级功率半导体技术现状、挑衅与睁开趋向

  • 2019-05-20 09:14
  • 来源:电车资源EV江湖

摘要:本文将颠末过程如下四个方面,和大家一路探究车规级功率半导体的技术及应用远景:功率半导体技术及应用;IGBT技术在新能源汽车上的应用;车规IGBT技术挑衅与解决计划;车规功率器件技术睁开趋向。

电车资源讯:

本文将颠末过程如下四个方面,和大家一路探究车规级功率半导体的技术及应用远景:

一、功率半导体技术及应用;

二、IGBT技术在新能源汽车上的应用;

三、车规IGBT技术挑衅与解决计划;

四、车规功率器件技术睁开趋向。

01 功率半导体技术及应用

近期,半导体芯片领域非常热闹。芯片是工业的“食粮”,是支撑全体社会睁开和经济睁开的基础性中央产业,是国民经济的命脉。功率半导体作为能源物联网的“CPU”,是弱电节制与强电运行的桥梁,可以或许或许实现能源的传输、转换与节制。功率半导体具有独特的布局、机理和制作工艺,交融了越来越多的微电子制作工艺,与咱咱咱们日常生活碰到的集成电路芯片有所差别。

1. 功率半导体资料技术演变

功率半导体器件离不开资料的支撑。半导体资料从40年月起到如今,重要阅历了三代:第一代是元素半导体,重要资料为锗(Ge)、硅(Si);第二代是化合物半导体,重要资料为砷化镓(GaAs)、硫化锡(InP);第三代为宽禁带半导体,重要资料为碳化硅(SiC)、氮化嫁(GaN),其拥有更宽的禁带、更高的临界击穿电场、更高的热导率,因此分外得当高压、高温和高频应用。第二代化合物半导体重要用在微波射频方面,大功率半导体用的资料重如果第一代和第三代。

2. 功率半导体技术演变

功率半导体器件自40年月在美国创造以来,其技术演变也阅历了三代:第一代包含锗管、硅二极管和晶闸管,以硅基晶闸管为代表,重要特征前控性,只能节制导通,不能自立关断;第二代重要以硅资料为主,包含MOSFET、GTO、IGBT和IGCT,最重要特色是不只可以或许节制守旧,而且有自立关断能力,可以或许实现从容开关,且频率更高;第三代半导体,以宽禁带资料为主,包含SiC、GaN资料等,SiC资料和器件虽然上世纪八十年月就开端有研究,但真正的疾速睁开还是在2000年以后,目前虽有SiC SBD和MOSFET产品,但技术尚未成熟。

目前主流、应用较多的半导体器件,一是晶闸管,它可以或许输入较大功率,但频率相对较低,重要用于直流输电和大功率低频电源等;二是IGCT,它是将GTO与门极驱动电路以低感办法集成在一路,如许可以或许改良关断机能,此器件目前重要用于大功电机传动,包含船舶驱动、海优势电等;三是IGBT,自上世纪90年月打破技术瓶颈以后,已经实现产业化和大规模应用,以后大功率IGBT最高可实现6500V,其应用办法较广,包含轨道交通、光伏发电、汽车电子等,是以后主流开关器件。

02 IGBT技术进展及其新能源汽车应用

IGBT是在MOS基础上睁开出的复合型功率半导体器件,是传统电力电子技术与微电子技术结合的产品。IGBT是电压节制型的功率开关器件,工作频率介于MOS和BJT之间,功率容量较大。它最大的技术挑衅是要以微电子的精细布局,耐受传统电力电子的功率开关与开关过程中的各种电磁热机械应力等非常严酷的应用考验。

 IGBT是上世纪80年月初创造,30年来,其功率密度提高了3倍,损耗只要本来的1/3,靠得住性越来越高,芯片越来越小的,但节制的功率则越来越大。

1. IGBT睁开的技术挑衅

以后IGBT的睁开存在三个技术瓶颈:一是低落导通损耗;二是低落守旧损耗、守旧损耗;三是鲁棒性,要让各项参数都运行在平安工作区(SOA)之内,包含正偏平安工作区(FBSOA)、反偏平安工作区(RBSOA)、开关平安工作区(SSOA)和短路平安工作区(SCSOA)。均衡和优化好这三者相干,可以或许或许让IGBT向更大功率、更高密度、更高靠得住性睁开。

2. 封装情势

目前IGBT重要有如下几种封装情势:

一是TO模范塑封模块布局,此布局较简略,本钱也较低,重要是单芯片或一个IGBT和一个二级管等两种情势,但是这种封装情势的热轮回寿命有限。

二是工业/汽车级模范功率模块布局,目前来看,只要功率超过几个千瓦以上,都邑采纳这种模块封装的情势,其特色是散热好,功率轮回和热轮回寿命相对较好,且工艺相比其余情势加倍成熟,本钱相对适中。

三是压接式IGBT,这种封装办法没有焊层、引线键合,它最大的特色是功率容量大,拥有更高的平安工作区(SOA),且具有失效短路特性,适用于串联应用、可以或许或许承受较高电压,但是工艺较为复杂,本钱较高。

3. IGBT的应用

下面以高铁和纯电动汽车的应用来得鱅GBT靠得住性请求:

高铁常用的IGBT是1500A/3300V焊接型模块,一列长编组由256只模块构成,包含9216片芯片,折算芯片面积约为1.68㎡,拥有接近1.5亿个IGBT元胞,只要此中一个元胞失效,这列高铁就会出现故障,因此对IGBT靠得住性请求非常高。

而汽车用IGBT功率小很多,重要用于电机驱动、DC/DC升压变换器、双向DC/AC逆变器,和充电端的DC/DC降压变换器,电机节制器用一个6单位模块,这种IGBT包含36片芯片,约240万个元胞,任何一个元胞出故障,汽车也会出现故障,对IGBT的靠得住性请求也非常高。除此之外,新能源汽车对功率半导体在损耗、功率密度和本钱上也有着更高的技术需要。

目前来看,并不是统统器件都能应用于新能源汽车。新能源汽车中IGBT面对着复杂的应用环境和应用工况:一是车载工况功率轮回波动比高铁还要复杂;二是长期处于高震动、高湿度、高温度的工作环境;三是装配体积、重量和制形本钱有严厉限制;四是汽车模块的长期寿要长于20km或长于15年应用寿命。

4. 功率半导体的技术请求

汽车级功率半导体模块模范长期缺失,直到最近几年才有一些模范可以或许或许参考。汽车IGBT一是要称心最新汽车级模范LV324/AQG324的请求,二是中国IGBT同盟和中关村宽禁带同盟等集团模范。这些模范重要在温度冲击、功率轮回、温度轮回、结温等与全性命周期靠得住性相干的一些方面提出了更高的模范。

目前,IGBT的技术可以或许为汽车应用供给完备的解决计划,称心市场多样化的必要,包含更高的功率密度、更高的靠得住性、更高的工作结温、更低的本钱和定制化的能力。

中国作为全球新能源汽车最大的应用市场,2018年将近130万辆汽车,到2020年将到达200万辆新能源汽车,为汽车IGBT市场供给了一个非常好的市场空间。

03 车规级IGBT的技术挑衅与解决计划

新能源汽车对IGBT提出非常高的请求,请求其拥有更壮大、更高效的功率处理能力,同时也要低落自己过量的电力消耗和不必要的热量发生,以提高整车的机能。

1. 技术难题与挑衅

目前技术方面碰到的重要难题:一是续驶里程与排放请求带来的低损耗成就;二是轻量化带来的高功率密度与散热成就;三是恶劣运行环境与极端工况所请求的的平安工作区和长期靠得住性成就;四是汽车财发生态请求的低本钱成就。

目前车规级IGBT面对的技术挑衅:一是芯片的设计与制作,芯片低功耗高与高靠得住性、高功率容量之前较难均衡;二是芯片封装的全流程,解决高效散热、靠得住性等并停止机能验证,以确保汽车长期的靠得住运行;三是如何颠末过程驱动节制,包管某些特别工况下IGBT的正常运行。

2. 车规级IGBT拓扑布局

目前IGBT的拓扑布局有三种:单管模块、2 in 1模块、6 in 1模块,构成一个完备的3相全波整流电路,颠末过程机动的电路拓扑可以或许或许实现在汽车上分歧的集成应釉墼勖请求。

3.  各企业技术路线图

(1) 英飞凌

2013年起,英飞凌对车规级IGBT芯片技术提高作出了很多贡献,包含IGBT3和HybridPACK 2。电压从650V提高到750V,电流密度从150A/cm2提高到270A/cm2,功率密度约为2kw/mm2,比高铁IGBT功率密度更高。

(2) 三菱

三菱在芯片和封装关键做了大批的研发工作,其双面散热技术相对抢先。

 (3) 中车

中车自2008年进入IGBT领域,颠末10年睁开,目前IGBT在高铁上的应用已经实现为了自立化,电网的应用也开端批量、大规模履行。2012年起,中车开端布局车规级IGBT的研发工作,目前已经研发两代车规级IGBT技术,包含第5代高机能沟槽栅和第6代精细沟槽栅IGBT芯片,电流密度到达275A/cm2,与外洋先辈程度相当,并已开端研发基于逆导RET技术的下一代更高电流密度芯片。

4.  车规级IGBT技术解决计划

(1)高机能FRD

应用高机能FRD,可以或许有用减小振荡和干扰成就,稳固车规级IGBT的运行。目前,中车FRD重如果基于先辈PIC布局,颠末过程质子和电子辐照,对少子寿命停止节制,实现为了与IGBT机能上的优越匹配。另外一种解决计划是应用SiC SBD来实现IGBT的续流节制,这种办法可以或许低落IGBT模块30%的损耗,但弊端是因为SBD反向规复快、会对IGBT的守旧构成很大电流冲击,影响长期靠得住性。因此,如果能找到机能比较好的FRD,不建议采纳两种歧频率器件混合应用,会影响全体机能和靠得住性。

(2)布局优化与低感设计

颠末过程布局优化与低感设计,可以或许或许低落高频应用条件下EMI的影响,改良芯片均流,低落开关过程的电压过冲,提高功率密度。

(3)绝缘布局

IGBT重要颠末过程陶瓷衬板,来实现阴性和阳性的绝缘,目前应用的衬板包含AlN陶瓷衬板、Al2O3陶瓷衬板、Si3N4陶瓷衬板。出于对本钱节制,多数车规级IGBT都应用Al2O3陶瓷衬板停止封装。但Al2O3与硅、铜热膨胀系数相差较大,在应用过程中会此引起资料的疲劳与焊接层的退化,从而影响全体模块的应用寿命。

(4)优化封装资料体系

IGBT电机能的改良已经碰到瓶颈,可以或许或许颠末过程改良热设计来进一步提高IGBT的机能与靠得住性,优化封装资料体系,削减封装互连界面,将热膨胀系数的失配尽量低落,做成一体化集成衬板,改良IGBT模块的特性。

(5)高效散热技术

在基板也有技术措施来改良车规级IGBT的机能:应用带有Pin-fin布局的间接液冷散热,双面水冷散热技术,可低落20%-30%的热阻。

(6)模块封装靠得住性设计

IGBT应用过程傍边靠得住性的最大成就是焊接层,长期运行会引起资料退化,从而引起热阻和导通压降升高。针对这一成就,目前已有新的解决计划:颠末过程高温烧银结技术,到达超高的熔点、优越的热导率,从而获得较好的热轮回和功率轮回能力。    

铜工艺技术也能提高靠得住性。高铁模块应用铜金属化+铜线缝合;汽车模块应用铜箔烧结+铜线键合。颠末过程此种铜工艺技术可以或许或许将功率轮回能力提高10倍。

另外一个可提高靠得住性的办法是双面焊接技术。目前统统模块的封装,都是基于单面散热这种情势实现,而双面焊接则使芯片间接与对衬板相连,取消引线互连,可晋升50%的功率轮回能力。

功率端子是IGBT颠末过程最大电流、发生最大热量的地方,端子衔接品格间接影响IGBT模块应用靠得住性,也是IGBT重要的失效情势之一,在统统导致IGBT失效的影响因素中占比较高。传统工艺是颠末过程焊片来实现端子跟衬板的互连,新的技术重要颠末过程金属段子超声焊接的办法,可以或许或许显著低落接触热阻,改良散热能力,增长电流承载能力,提高车载环境中机械震动统寤的抵抗能力。

(7)封装情势

目前车规级IGBT重要有三种封装情势:模范封装情势——Type 1、针翅型封装——Type2、平面封装——Type3。

中车汽车级IGBT模块包含S1模块、S2模块、S3模块和L1模块,分离对标英飞凌的HP2、DC6和HPDrive,包含全体参数与机能及内部接口尺寸,双面散热的模块英飞凌还没有大规模履行。L1是一种平面封装模块,实现双面散热,目前正在做样品验证。

04 车规级功率器件技术睁开趋向

未来,电机节制器将进一步小型化、轻量化,请求高功率与高效力、芯片损耗更低、电流密度更大、频率与工作温度更高。同时,请求模块散热更好、焊接层与焊点更坚固,长期靠得住性更高。

目前主流技术解决计划包含:颠末过程精细化技术,做到沟槽精细化,以此到达更高的电流密度;将IGBT跟FRD颠末过程单片集成的办法结合,进一步提高电流密度;颠末过程超结等技术进一步低落IGBT的损耗。

提高模块靠得住性可从如下几方面入手:全铜模块、高温封装和功效集成。

1. 芯片技术迭代示意

目前,称心汽车必要的IGBT产品已用灰色地区标注(见下图),包含英飞凌的IGBT3、IGBT4、EDT2,日系(富士电机、三菱电机)包含IGBT5、IGB6、IGB7,中车包含第5代TMOS、6代RTMOS和7代RCMOS。英飞凌的IGBT4与中车第5代TMOS对应,EDT2跟中车的第6代RTMOS对应。

2. 精细化技术

为了实现更高功率密度,一方面盼望芯片厚度越来越薄。另外一方面,颠末过程精细化的技术,让IGBT元胞变得越来越小,单位面积的芯片有用面积可以或许或许容纳更多的元胞,增强正面载流子注入,减小压降与寄生电容。

中车开拓的第6代IGBT,采纳了自立研发的RET (Recessed-Emitter-Trench)技术,可以或许或许颠末过程RET实现1.2um - 0.5um的Mesa布局,已经杀青2750A/cm2偏向,与英飞凌EDT2相当,正在极力实现电流密度到达300A/cm2或更高。别的,采纳质子注入和激光退火等技术实现超薄片工艺,优化P发射极-n缓冲层设计,晋升耐压和短路平安工作区。别的,基于RET引入RDT,可以或许或许在维持Vce教逑堤度的同时低落Eon和Eoff,进一步改良特性。

另外一个精细化技术是基于RET第7代IGBT的逆导型,拥有更高的功率密度和优越的功率轮回能力,温度加倍均匀,且因为IGBT和FDR交错的工作情势,可以或许或许加倍有用利用芯片面积。

3. 超结技术

超结IGBT技术。目前超结技术有两个偏向:一是边缘终端的超结技术,实现台面尺寸更小,有用面积更大;二是颠末过程垂直超结技术,如许可以或许把芯片做得更薄,损耗更低,电流能力会更大。

4. 高结温终端技术

温度提高对功率容量晋升感化很大,但条件是IGBT芯片可以或许承受高温,所以高温终端技术就成为了中央。以后技术可以或许让高铁IGBT在150度的环境下正常运行,汽车IGBT已经可以或许在175度的环境下正常运行。

未来,高铁IGBT的抗高温能力将做到175度或更高,汽车IGBT的抗高温能力将做到200度或更高。可以或许或许说,高结温对全体芯片的设计和资料体系都将是一个很大的挑衅。

5. 碳化硅芯片

碳化硅(SiC)因为禁带宽、导热和绝缘能力强,非常适合作为功率半导体的资料,它比硅(Si)基器件更容资迪值退鸷、高开关频率、高结温,且温度升高对付开关损耗变更很。旁降氖淙特性更得当于牵引工况。

(1)碳化硅器件的优势

SiC MOSFET与Si IGBT比较,工作频率更高、损耗更低,且跟着功率频度升高,损耗低的优势将会加倍显著表示。

SiC器件重要有如下应用优势:低 Rds(on)、可耐受200度工作温度、10倍的工作频率、低损耗、散热请求低、体积小。

(2)碳化硅器件的技术挑衅

目前碳化硅芯片仍面对很多技术挑衅:一是制作高品格、低缺点率的衬底和内在层;二是提高MOSFET相同迁移率和栅氧稳固性;三是沟槽栅SiC技术如何做到低损耗、大电流容量、更高靠得住性。

6. 先辈封装技术

颠末过程先辈封装技术,低落模块电感,提高靠得住性。目前重要的工作体如今如下几个方面:

· 间接端子互连技术:实现芯片外面平面键合,替代传统引线键合;

· 柔性PCB互连技术:集胜利率端子,低落杂散电感,提高功率轮回能力;

· 3D封装技术:AMB技术实现叠层互连,削减封装资料界面,晋升汽车模块散热机能;

· 全铜工艺:芯片铜金属化、铜线互连、铜端子超声焊接、铜烧结技术;

· SiC高温封装:基于高温封装资料的低电感、高集成度、多功效、复合SiC模块封装技术。

7. 功效集成

增强具有集成温度或电流传感功效的精细沟槽栅芯片技术,设计加倍紧凑的集成水冷流道的散热布局,集成逆变桥及整流桥功效的多合一功率模组。

对付SiC器件技术,中车从2010年开端SiC器件研发,已经打破SiC器件关键技术,建成为了一条6英寸SiC芯片临盆线,研发了包含SBD和MOSFET ,1200V到1700V到330V都有一些产品在做小批量的试验,包含全碳化硅的器件,这里是3300V,混合模块和碳化硅模块在高铁和轨道交通实现。

末了,小结一下汽导禝GBT的技术睁开趋向。未来,功率半导体IGBT的芯片将会更小、晶圆更大、厚度更薄,颠末过程本钱、功率密度、结温、靠得住性等方面的晋升,实现全体芯片技术提高。模块的未来趋向是更高的热导率资料、更厚的覆铜层、优越的集成散热功效和更高的靠得住性。

05 总结

第一,汽车的未来是电动汽车+绿色能源+智能网联,如许能力支撑新能源汽车可持续睁开,这里要分外夸大一下单凭汽车的电动化而没绿色能源的大规模应用,很难实现 预期的低落排放的偏向。

第二,基于大功率晶闸管、压接IGBT、IGCT、高压SiC器件的电力电子技术,支撑绿色能源的发生、传输和用户电力定制。

第三,高功率密度的IGBT在机能、靠得住性等方面会持续睁开,在较长一段时期内会是汽车电动化的主流器件。

第四,SiC、GaN等第三代半导体器件加快成熟,将在新能源汽车获得普遍应用,但必要一个过程,对硅基IGBT也不是一个简略的替代,而是互相弥补。

第五,国产器件有能力支撑国内新能源汽车技术、产业的可持续睁开。

本文整理自株洲中车时代电气股份有限公司半导体事业部副总工程师刘国友在百人会未来出行学院课程“功率半导体新资料应用及技术难点”(2019.4.25)上的演讲

(来源:电车资源EV江湖 ChinaEV100)

本文由电车资源【EV江湖】作者撰写,概念仅代表小我,不代表电车资源。

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