從功率器件來說，主要是IGBT，我們首先需要有更低的損耗，提高驅動效率，降低溫升，幫助減少芯片面積，提高晶圓尺寸，降低成本。集成度提升也包括芯片面積減少還有更高的結溫和更高的可靠性。

本文為勵展博覽集團及NE時代于8月28-29日聯合主辦的 "第二屆AWC2019新能源汽車關鍵元器件技術大會" 演講嘉賓的現場實錄。

演講嘉賓：吳海平 比亞迪第六事業部IGBT芯片產品部高級研發經理

演講主題：新能源汽車IGBT的技術進展

吳海平：各位嘉賓大家上午好，感謝NE時代組織的這場論壇，讓我有機會和大家分享一下相關技術進展。

我是來自比亞迪微電子的吳海平，比亞迪微電子是比亞迪的全資子公司，比亞迪微電子產品包括新能源汽車的功率半導體器件以及消費類的微電子產品。

整個新能源汽車市場近幾年在中國還有全球發展都非常快，基本每年都維持了50%的增長，中國在全球市場應該占了60%的市場份額。我們根據搜集的數據做了一個預估，估計到2025年之后，新能源汽車預計會占到30%的市場份額，按照這樣的發展情況，后面對于功率器件需求會變得非常巨大。從去年開始，中國汽車市場開始下降，新能源汽車今年上半年仍維持了增長。但因為補貼政策的變化，導致接下來7月份的市場數據已經開始降低。國家在新能源汽車補貼方面，2019年有明顯的變化，純電動汽車和PHEV都降低了50%以上，預計到2020年，國家補貼就沒有了，這樣會對新能源汽車市場持續增長帶來很大的挑戰。

為了使新能源汽車市場增長達到預期，需要大幅降低整車成本。新能源汽車中，大量使用了功率半導體器件。從全新一代唐的電氣結構圖可以看到，從電池出來，通過功率器件將直流電轉化成交流電，進行電機驅動。空調系統也要用到功率器件IGBT，車載充電器、DC/DC也會用到功率器件，同時在充電樁方面也有大量的應用，所以功率器件在新能源汽車里面占了很大的比重。網上有些數據講在新能源汽車里面IGBT占的成本大概7%-10%，我的理解可能想說的是電控占了10%，IGBT占不了那么多。美國能源部給了2025年的規劃，在這里面對新能源汽車電控成本以及功率密度做了規劃，可以看到當前水平，100千瓦的電控成本在1000美金，希望到2025年降到2.7美金/千瓦，功率密度從現在18千瓦/升提高到100千瓦/升。除了電池以外，電控在整車里面占到第二位，功率模塊主要使用IGBT。如果提高了2.7美金/千瓦目標，按照100千瓦電控分解的話，希望在2025年，功率器件做到59美金。對于主機廠來說這是一個很好的期望，他們應該是想通過這種方式倒逼零部件供應商做出提升，但是對零部件供應商來說挑戰還是蠻大的，如果想完成這個目標，幫助新能源汽車實現市場目標，對我們來說需要做很多事情。

首先從功率器件來說，主要是IGBT，我們首先需要有更低的損耗，提高驅動效率，降低溫升，幫助減少芯片面積，提高晶圓尺寸，降低成本。集成度提升也包括芯片面積減少還有更高的結溫和更高的可靠性。圍繞這些要求我們看一下芯片技術是怎樣的。

這是歐洲一家比較有名的IGBT供應商，他們在電動汽車主要使用的是這幾種芯片技術。在目前電動汽車上，國內大部分公司在300多V的平臺，他們使用的電壓主要是650V的IGBT，使用的是這家公司IGBT 3的技術。商用車，還有比亞迪乘用車都是在500V以上的電壓，這家公司推出的是IGBT 4的技術1200V IGBT。2017年，這家公司進一步推出了750V的技術，叫EDT2。IGBT3和IGBT4相比，IGBT4在同樣電壓下厚度更薄一些。750V的EDT2技術和650V的IGBT3相比，電流密度做了提升，大概提升了10%以上。最終在模塊中不止提升10%，在芯片定義的時候是提升了10%。飽和電壓從原來1.55V降低到1.15V，有非常大的提升，對于整車的能耗有非常大的貢獻。我們再關注到另外一個參數—短路耐量，這個參數如果不好的話當發生上下橋直通時IGBT會容易燒毀，所以IGBT都會有短路耐受時間的要求。對比幾種IGBT技術，發現該公司有減少短路耐受時間的趨勢。通過在系統上做更好的保護，減少對短路耐量的需求，保證損耗的參數能夠降得更低，使整車效率能夠提升，這是芯片發展的思路。比亞迪在去年推出IGBT4.0技術，當時對標的是競爭對手IGBT4，綜合損耗還要略低20%。

在電動汽車IGBT上另一個供應商是日本，日系IGBT廠家IGBT的技術路線不太一樣。日系IGBT主要也是做溝槽FS技術，接下來做的主要是往RC-IGBT方向走。IGBT在工作的時候需要有一個二極管進行續流，每個IGBT都匹配一個快恢復二極管。日系的趨勢就是把IGBT和二極管集成在一起，就是RC-IGBT，這種技術在很早的時候歐洲已經開始做了，在電磁爐上使用。但是這種IGBT最大的難度在于FRD性能很難優化。IGBT和FRD集成在一起，兩個東西要求剛好相反。在家電上使用時，對二極管要求不高，集成一個比較弱的快恢復二極管沒有問題。近兩年在小功率IPM上也有使用這種技術，對于大功率應用可以說日本是走在了前列。我得到的數據是在2016年日本已經投放在出租汽車市場，裝了幾千輛車，經過幾年運行，他們認為這種技術在大功率應用上已經成熟，所以現在也開始在個人乘用車市場推廣這種技術。

把IGBT和FRD集成在一起，其好處就是在關斷時，IGBT中的電子能夠很快通過背面抽取出來，關斷速度比較快，有更優VCEsat和EoFF折衷性能，折衷曲線離原點更近，從而整體功耗更小。第二，把兩個芯片集成在一起后，單芯片面積比原來單個IGBT和單個二極管都要大，每次工作要么是IGBT工作要么是二極管工作，這樣一來，對IGBT也好、對二極管也好，其熱阻也有明顯降低。因此性能更好，熱阻更低，面積也比兩個加一起減少了，控制器模塊也就可以做得就更小。缺點就是設計工藝比較復雜，二極管性能很難優化，雖然集成一起，但不是一個最佳的狀態。

另外一種技術趨勢，就是功能集成化。我們功率器件包括IGBT在使用的時候，需要做過溫保護。目前過溫保護大部分都使用的是模塊里面集成的熱敏電阻，通過這個熱敏電阻檢測芯片是否過溫。但熱敏電阻離芯片有一定距離，不能實時反應芯片實際溫度。而且，熱敏電阻還有一定的熱容，和芯片之間的結溫有很大的差異。在一些功率模塊上，熱敏電阻的溫度和芯片結溫存在高達60℃的溫差，好一點的有30℃的溫差。如果保護芯片在150度以下，NTC到了80度就要保護了，導致要留很大的余量，所以，對于芯片保護來說有一個趨勢就是把溫度檢測直接放在芯片上。這里做了一個溫度傳感器，放在芯片的中間。實際上原理就是利用二極管VF隨著溫度的線性變化，只需要檢測二極管的VF之后就可以很清楚地知道芯片當時的溫度是多少，非常及時和準確，這是一種方向。另外，對于短路保護，是通過檢測IGBT的VCEsat。為了避免誤保護，需要一定的延時，一般在幾微秒。所以芯片需要幾微秒的短路耐量。在這種IGBT里面，如果引入具有電流檢測的單元，實際上就是和原來主IGBT并聯一個更小的IGBT，他的電流和主IGBT電流有一個分比，再串聯一個電阻，通過監控電阻上的電壓，就能很及時精確知道IGBT的電流是多少，因此可以拋開短路保護直接做一個過流保護。比如正常IGBT工作在300A，可以把保護點設在500A來及時保護，保護比較快，減少對芯片短路耐量的依賴，進一步降低VCEsat，這一點在日系IGBT做得很明顯，歐美IGBT會直接給一個短路耐受時間，日系IGBT很多看不到給這個參數，或者不叫短路能量，而是給出短路能量。

剛才講的是芯片的技術發展。為了持續降低成本，另一方面就是晶圓的尺寸。功率器件對晶圓尺寸依賴不是很大，因為芯片內的線條尺寸都比較大。但近年來新的概念就是剛才說的EDT2 IGBT，開始把尺寸做得更小，需要更好的產線。另外，更大的晶圓有利于提高生產效率。早期都是6寸，現在8寸是主流。這樣會帶來芯片成本持續的降低。

接下來看一下模塊技術，芯片都要封裝成模塊才能在車里面使用。模塊的基本結構是最上面是一個芯片，芯片通過焊料焊接到陶瓷覆銅板，然后將陶瓷覆銅板焊接到銅底板，使用時安裝到散熱器。功率模塊的技術涉及到焊接、散熱基材和模塊結構。芯片正面的引線在工業模塊基本都是采用的鋁線或者鋁帶，現在在汽車模塊上也慢慢出現了銅線或者焊接方式的引出。焊接早期是普通的SnAg焊料，現在采用的是更先進的焊料如SnSb，或者低溫Ag燒結或者銅燒結的方式。散熱基材使用的是增韌氧化鋁DBC，底板大部分是銅底板。模塊結構從平面底板散熱發展成帶針翅結構的直接水冷結構，再往后就是雙面散熱結構。

這是正面引線的示意圖，這是最常見的用鋁線連出來的，無論在汽車模塊還是工業模塊里面都是最常見的。鋁帶就是更寬一點。為了更好提高可靠性和散熱效率，銅線工藝被引入，需要在芯片正面淀積銅。更進一步在正面用銅帶或者銅片焊接出來。更一步，正面用銅塊焊出來，做出雙面散熱形式。這是正面引線的技術變化。

再看一下焊接工藝。剛才提到，IGBT模塊大部分使用的還是SnAg焊料，如果銅+氧化鋁的結構，普通SnAg焊料經過2000次溫度循環，可以看到黑色的地方還是完好的，白色的地方已經分層了，出現了很大的分層，但是SnSb焊料焊接界面完好。低溫Ag燒結采用的是納米銀顆粒代替焊料，在燒結過程中需要加很高的壓力，大概10兆帕，，溫度只需要200多℃，納米銀顆粒就把金屬層連接起來了。銀的熱導率非常低，厚度可以做得很薄。一般焊層100個微米，Ag燒結層20個微米，因此熱阻很低。銀的熔點達到962℃，熱循環能力高，工作溫度高。銀燒結最大缺點就是成本太高。經過功率循環，上面兩根線是普通焊接之后熱阻的變化，下面是Ag燒結的變化，經過4萬次循環之后，Ag燒結熱阻沒有任何變化，說明焊接層沒有任何退化。

Ag燒結已經開始在功率模塊上使用了，但是還廣泛。在特斯拉的Model3上，功率模塊使用的就是Ag燒結技術。但Ag燒結也有缺點，有人提出低溫銅燒結，原理是一樣的，也是用納米銅顆粒，加壓力后去燒結。銅和銀相比，抗電遷移能力更好，銅熔點更高，因此有更好熱循環能力，而且便宜。如果提高到250℃做工藝循環，經過1000次循環以后，銅燒結沒有任何變化，但是銀燒結還是出現了一些裂縫，也就是說銅燒結比銀燒結有更好的扛溫度循環能力。銅燒結將來有可能是一個趨勢，但是目前為止還是在實驗室階段。缺點就是在燒結的時候容易氧化，對燒結工藝要求這塊還是在不斷的摸索過程中。

接下來看一下基材，在功率模塊里面，大家常使用的包括陶瓷、底板，各種材料比如氧化鋁、氮化硅、銅等等，不同搭配的時候會對IGBT模塊壽命產生很大的影響。比如工業上常見的銅底板加氧化鋁DBC，經過600次溫度循環就退化得很厲害，如果用增韌氧化鋁DBC 1000次循環只有很輕微的退化。所以汽車如果要用氧化鋁DBC上一定要用增韌的氧化鋁。

再介紹一下比亞迪電驅功率模塊技術路線。我們在最早推出第一代車用模塊，采用的是平板結構，這個結構是一個半橋，體積比較大，熱阻比較大。接下來推出直接水冷模塊，底板可以直接裝到散熱器上，熱阻降低非常明顯，功率密度提升也是很明顯的。在去年，最新雙面散熱模塊也推出了，這個模塊是兩面都可以散熱。下一代的碳化硅雙面水冷模塊正在開發中。

平面間接水冷模塊結構和剛才的圖差不多的，只不過上面加一個蓋板。其優點就是供應商眾多，價格便宜，在商用車大家都喜歡用這種。但是壽命相對來說差一些。使用時需要要涂覆導熱硅脂。這是其中一些關鍵的技術，比如焊接要求、對綁線功率要求等。

直接水冷模塊，比亞迪有相應的一系列產品，如215、315和415系列。315系列是裝車最多的功率模塊，在秦、唐、宋上大量使用。415主要是在大巴和商用車、卡車使用。215針對A0級和A00級的小車，這種模塊底部不再做成平面，而是做成針刺狀的，散熱效率很高，熱阻降低40%，整個功率密度可以再作提升，體積可以做得更小，壽命更長。比亞迪全系列215、315、415都采用鋁碳化硅底板。

雙面散熱IGBT模塊，正面通過焊接方式，正面背面都有陶瓷覆銅板，可以進一步降低熱阻。從目前看到的數據，和直接水冷比，熱阻可以再降低30%以上，可靠性更高。這樣可以把功率密度很輕松做到20千瓦/升以上。在這種模塊里，進一步集成溫度采樣和電流采樣，系統設計變得更加方便。這種模塊最早期是豐田在雷克薩斯車輛使用的。最近很多車都使用了這種概念，這是德爾福的電驅，可以看到里面使用的都是雙面散熱模塊，只不過用的是比較小的模塊。這是早期的雷克薩斯上用的。雙面模塊用起來比較麻煩，因為散熱器要夾起來，這樣對控制器的組裝帶來很大的挑戰，所以有另外一個折中的方案，芯片正面不用引線，用銅片焊出來，正面不需要加散熱器，也能很好提高散熱效果。日立也推出一個雙面散熱模塊，而且在雙面散熱基礎上增加了針翅結構，這個針翅結構可以安裝到散熱器上。

前面主要講的是IGBT模塊，SiC也是繞不過去的話題。前面有嘉賓也有講到碳化硅要逐步用起來甚至替換IGBT。碳化硅優點不再講了，能夠提高效率，減少控制器體積。問題就是成本高，目前主要在長續航電動車開始應用。技術瓶頸里面最明顯的比如短路耐量小、易干擾、VTH低，這都需要在芯片端解決。另外就是芯片正面引線，因為芯片面積小用普通芯片綁線工藝很難滿足提升功率密度的要求。另外芯片面積減小以后，熱阻會升高，這樣對于散熱設計要求較高。包括想提高工作溫度，現有的焊料也不能滿足要求。

這是國際上關于正面引線工藝改進方案，在正面芯片結構上用燒結方式覆蓋了一層銅，然后再打銅綁線，其功率循環結果很不錯。另外一個方案是在正面通過Ag燒結焊接一個銀片。在特斯拉model3中率先使用碳化硅模塊，芯片地面是Ag燒結，正面是銅片焊接出來。這是另外一家公司研發的碳化硅模塊，提出一種DBB技術，模塊是半橋結構，規格約是1200V，2.8毫歐。

比亞迪今年底將推出自己的碳化硅車用模塊，是具有Pin-fin的直接水冷結構，三相全橋，1200V/3.3 毫歐，結構緊湊，僅一個手掌大小，希望今年推出量產。

今天我的報告就到這里，謝謝大家。