一文解析TMC車規(guī)級(jí)SiC功率模塊封裝

上篇整理完，接下來(lái)主要整理下篇，這些企業(yè)主要包括真正做功率半導(dǎo)體SiC的企業(yè)，整個(gè)細(xì)節(jié)會(huì)多一些。

1.英飛凌科技（中國(guó)）有限公司大中華區(qū)汽車電子事業(yè)部高級(jí)市場(chǎng)經(jīng)理 高金萍

碳化硅應(yīng)用聚焦在汽車上，不同的應(yīng)用場(chǎng)景它會(huì)有不同的電壓功率的訴求。

●硅基的器件無(wú)論在功率也好、電壓也好，覆蓋面是最廣的，技術(shù)成熟度、商業(yè)成熟度，性價(jià)比是比較高，在長(zhǎng)時(shí)間還會(huì)占據(jù)一個(gè)比較主流的位置。

●碳化硅相對(duì)比較高的抗壓頻率，中高壓功率也比較大一些。

●氮化鎵適用的是低壓、超高頻的應(yīng)用場(chǎng)景，比如5G的基站、4C電源上非常好的場(chǎng)景（筆記本的充電插頭）。

汽車是一個(gè)空間比較受限（比較?。?，相對(duì)溫度散熱比較難處理，又高溫、高濕、高熱量這些場(chǎng)景，對(duì)電子就會(huì)帶來(lái)高功率密度、耐高溫。在OBC和DC/DC，從3.3-6.6kW往11kW、22kW的雙向切換，碳化硅是可以讓整個(gè)無(wú)源器件（電感電容、變壓器）的體積減小，減小整個(gè)系統(tǒng)熱的損耗，整個(gè)系統(tǒng)的成本綜合降得比較低。在主驅(qū)上大家核心的痛點(diǎn)就是在于續(xù)航里程、更高的功率密度，碳化硅可以解決當(dāng)下的電池成本也是相當(dāng)高的，采用碳化硅能夠提高續(xù)航里程。

整個(gè)功率半導(dǎo)體的復(fù)合增長(zhǎng)率應(yīng)該在28%左右，現(xiàn)在看整個(gè)新能源的勢(shì)頭比我們想象得可能更快一些。碳化硅的復(fù)合增長(zhǎng)率相對(duì)來(lái)講更高一些，預(yù)測(cè)到2025年碳化硅的占比大概會(huì)超過(guò)32%，國(guó)內(nèi)的碳化硅步伐可能走得更快一些。主驅(qū)應(yīng)用核心關(guān)注點(diǎn)，第一長(zhǎng)續(xù)航里程，第二更高功率密度，更小的體積，第三綜合的性價(jià)比?；靹?dòng)會(huì)聚焦在IGBT上，整個(gè)功率密度和成本要求會(huì)更高一些。對(duì)于裝配電池量比較高的，尤其超過(guò)70-80度電的高端電動(dòng)車來(lái)講，通常在長(zhǎng)期工作的主軸上采用碳化硅，不通常用的輔驅(qū)軸上還是會(huì)采用IGBT。

碳化硅核心的兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：

●開關(guān)損耗：尤其在800V上，碳化硅有更快的開關(guān)速度以及反向恢復(fù)的這些特性等等，開關(guān)損耗是遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于IGBT的。

●導(dǎo)通損耗：碳化硅并不是在每個(gè)領(lǐng)域或者每個(gè)電流的點(diǎn)下都是優(yōu)于IGBT的。IGBT跟碳化硅在損耗上會(huì)有一個(gè)拐點(diǎn)，400V典型的工況，大概95%的時(shí)間上小于100A電流的需求。超過(guò)300A是75%的額定電流情況下大概只有1%，碳化硅的導(dǎo)通損耗的優(yōu)勢(shì)就非常明顯。

英飛凌的雙面水冷IGBT以及雙面水冷的碳化硅，基于碳化硅的技術(shù)，在整個(gè)工況下可以達(dá)到75%的導(dǎo)通損耗降低，大概大于60%的開關(guān)損耗降低，整個(gè)損耗會(huì)降低60%以上。針對(duì)400V以及800V的系統(tǒng)做了WLTP工況下的一些仿真分析， 400V的系統(tǒng)下大概采用碳化硅的產(chǎn)品可以讓續(xù)航里程提升大概4%-5%。

750V的IGBT本身基礎(chǔ)底子比較好。

1200V的系統(tǒng)， IGBT本身在高壓下沒(méi)有750V那么好，基線會(huì)往后拉一些，800V看起來(lái)更可觀一些。

750V的碳化硅還是有必要的，隨著碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈越來(lái)越成熟，商業(yè)成熟度越來(lái)越高后，750V會(huì)帶來(lái)更好的續(xù)航里程（電池成本的綜合降低），當(dāng)然這取決于整個(gè)產(chǎn)業(yè)的電池成本，也取決于碳化硅的成熟度。

英飛凌做碳化硅已經(jīng)接近三十年甚至超過(guò)三十年了，從最早期工業(yè)領(lǐng)域到汽車領(lǐng)域的逐漸滲透。我們是在2019年開始進(jìn)行了車規(guī)級(jí)碳化硅產(chǎn)品的成熟量產(chǎn)，目前已經(jīng)采用到了比較多的車企OBC、DC/DC和碳化硅模塊，目前在現(xiàn)代起亞的800V平臺(tái)上已經(jīng)開始成熟地跑量。整個(gè)行業(yè)其實(shí)已經(jīng)沒(méi)有太多的爭(zhēng)議了，基本上國(guó)際的大廠已經(jīng)全部宣布在2023年或者2024年以后全面進(jìn)入，英飛凌從第一代開始量產(chǎn)的產(chǎn)品就是Trench的技術(shù)。在第一代的IGBT 750V做了替代，把碳化硅的芯片放進(jìn)去，芯片技術(shù)驗(yàn)證完后，再做下一代產(chǎn)品的更新。預(yù)計(jì)在2023年全面面向的第二代碳化硅模塊。

傳統(tǒng)功率模塊會(huì)采用磁環(huán)或者三合一的電流傳感器，為了解決更好的功率密度的問(wèn)題，可選配跟第三方合作的電流傳感器的模塊，可以極大的提升我們的功率密度，在空間上節(jié)省8%的體積。采用無(wú)磁的技術(shù)，整個(gè)全生命范圍精度非常高，整個(gè)可壓可焊，可以進(jìn)行一體化集成，整個(gè)安裝是比較好用的。

雙面水冷的模塊，下表面采用比較高的氮化鋁的基板，有比較好的散熱。在上表面也采用了銅塊的技術(shù)，可讓上表面處理大約40%的散熱處理。碳化硅產(chǎn)品因?yàn)榫A的面積，怎么把碳化硅熱散出去很重要，表面的散熱也是非常重要的。

雜散電感，功率電子在一端，信號(hào)電子在一端，方便安裝和集成，這樣不適用于碳化硅的產(chǎn)品上。下一代的雙面水冷碳化硅模塊它會(huì)采用DC端三端子的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步地去降低系統(tǒng)的損耗。跟相同的單面模塊來(lái)比，整個(gè)散熱的優(yōu)勢(shì)大概提升40%左右。

2.丹佛斯硅動(dòng)力大客戶經(jīng)理 練俊

DCM模塊起來(lái)已經(jīng)量產(chǎn)了，搭載的是750V的碳化硅芯片，DCM1000X會(huì)在今年年底量產(chǎn)（1200V的碳化硅芯片），未來(lái)規(guī)劃DCM500，六合一的封裝形式，體積會(huì)更小。

●DCM1000X模塊能承受的耐壓從原來(lái)DCM1000的900V提高到了1200V，能夠達(dá)到的最大電流都可以達(dá)到800A。

●采用了直接水冷的技術(shù)，1000其實(shí)是代表它內(nèi)部所覆蓋的可用半導(dǎo)體芯片的面積。

●模塊平臺(tái)最重要的特點(diǎn)是芯片的獨(dú)立性，可以允許客戶來(lái)選擇想使用的芯片，為了滿足客戶對(duì)性能、成本以及工藝安全的考慮。

●模塊的電流輸出能力可以根據(jù)所選芯片的性能以及數(shù)量進(jìn)行配置，模塊內(nèi)部的電氣優(yōu)化可以根據(jù)所選的模塊進(jìn)行配置。

●模塊的連接方式也是可以定制的（提供DBB技術(shù)=將傳統(tǒng)的焊錫焊接用銅綁定來(lái)代替），可顯著提高模塊的功率循環(huán)能力。

●模塊的散熱性能，根據(jù)模塊的電流等級(jí)以及散熱要求提供不同性能的陶瓷基板。

●丹佛斯提供一個(gè)直冷技術(shù)，水道數(shù)量以及形狀都是可以定制的（材料），客戶在熱阻和水阻之間達(dá)到一個(gè)平衡。

碳化硅芯片是非常貴的，模塊貴不是做模塊的把錢賺的（賺的都是血汗錢），錢大部分都讓做芯片的賺去了。

丹佛斯提供的一個(gè)差異化的封裝解決方案，包括了丹佛斯的DBB專利技術(shù)，同時(shí)還有一個(gè)消泡的水冷技術(shù)，這些技術(shù)可以快速提高模塊的散熱能力以及實(shí)現(xiàn)較高的功率密度和機(jī)械可靠性。芯片的結(jié)溫可能會(huì)進(jìn)一步提高到250度，客戶實(shí)際應(yīng)用中的冷卻溫度大概是在65度，芯片的結(jié)溫有可能是超過(guò)130K的溫度波動(dòng)。DBB通過(guò)銀燒結(jié)的技術(shù)，把熔點(diǎn)從普通焊錫的220度提高到銀燒結(jié)的960度，DBB是未來(lái)碳化硅應(yīng)用最佳的一個(gè)搭檔。

3.忱芯科技（上海）有限公司總經(jīng)理 毛賽君

碳化硅功率模塊的動(dòng)態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)的測(cè)試，這里不摘錄了。

4.安森美電源方案部電驅(qū)功率模塊產(chǎn)品線經(jīng)理陸濤

碳化硅逆變器主要是集中在150-160千瓦這個(gè)等級(jí)，往下基本是在IGBT。2023年、2024年推出來(lái)的汽車，基本上后驅(qū)目前都是碳化硅，前驅(qū)可能還是由IGBT為主。120千瓦或者還是IGBT，基本上160以下到250都會(huì)切換到碳化硅上面，目前在400V碳化硅也能帶來(lái)5%以上效率上的提升。

安森美是目前全球?yàn)閿?shù)不多的幾家公司能從襯底一直到模塊、到系統(tǒng)，大概有三四家公司能夠提供這個(gè)能力。從成本上來(lái)說(shuō)，6寸繼續(xù)朝8寸去推廣。在2024年左右，應(yīng)該能夠進(jìn)入到8寸。M1、M2、M3，整個(gè)發(fā)展是為了增加Solid的密度，還有未來(lái)正在開發(fā)的一些模塊。

5.株洲中車時(shí)代半導(dǎo)體有限公司研發(fā)中心副主任任亞?wèn)|

高壓模塊的功率密度，怎么從芯片層面上把損耗這塊做到最優(yōu)的選擇，器件這塊相當(dāng)于要去不斷地降低損耗。碳化硅材料的特性，可靠性來(lái)講，對(duì)最大功率密度要求，現(xiàn)在往溝槽方向發(fā)展這個(gè)趨勢(shì)。

碳化硅要工作在175度結(jié)溫甚至更高溫度的封裝挑戰(zhàn)。從所有的材料體系都必須滿足更高結(jié)溫這塊帶來(lái)的挑戰(zhàn)，65度水溫的話，器件將來(lái)要工作在175-200度，帶來(lái)整個(gè)功率循環(huán)會(huì)變大很多，相當(dāng)于要變大20度、30度甚至更多，對(duì)整個(gè)壽命帶來(lái)了比較大的挑戰(zhàn)。

像高溫絕緣材料這塊，像硅膠工作在175度甚至更高結(jié)溫情況下面，在長(zhǎng)期的情況下面這種老化的退化，包括它的變質(zhì)、變色，已經(jīng)不太適合向更高的溫度下面去做一些研究，要么要開發(fā)出更高耐受的絕緣性材料，要么采用一些封裝上面的方案來(lái)解決這塊更高的絕緣材料帶來(lái)的挑戰(zhàn)。碳化硅這個(gè)材料硬度比較硬的，只把芯片硅換成碳化硅，壽命基本上就下降了接近一半左右了。

壽命短板向無(wú)鋁線的鍵合線體系，相當(dāng)于提高提升我們的循環(huán)壽命，這個(gè)影響芯片連接、散熱這塊，這塊采用一些直接端子互聯(lián)，可把整個(gè)功率循環(huán)能力在傳統(tǒng)工藝上面基本上提高到4到5倍。

小結(jié)：有些內(nèi)容比較細(xì)，我盡量摘錄了一些重要的觀點(diǎn)。后續(xù)有機(jī)會(huì)我會(huì)再分享一下有關(guān)Si、SiC和GAN的一些看法。

審核編輯：劉清