功率電子器件供需強(qiáng)勁 汽車電子如何“接棒”消費(fèi)電子？

電子發(fā)燒友早八點(diǎn)訊：當(dāng)智能手機(jī)等消費(fèi)類電子市場(chǎng)趨于平緩之后，汽車電子成為了電子產(chǎn)業(yè)關(guān)注的下一個(gè)熱點(diǎn)。從2016年的業(yè)界主要的幾家半導(dǎo)體廠商的年報(bào)中就可以看出，比如在2016年，恩智浦半導(dǎo)體的汽車電子產(chǎn)品營(yíng)收為33.79億美元，占了其公司總營(yíng)收的35.6%，英飛凌2016年的主要營(yíng)收也來自于汽車電子，占了其總營(yíng)收的41%;意法半導(dǎo)體的營(yíng)收大頭是由汽車和分立器件產(chǎn)品部提供的，占了其總體營(yíng)收的40.34%......

而且，目前各大半導(dǎo)體廠商都在積極布局，例如在消費(fèi)類電子市場(chǎng)呼風(fēng)喚雨的高通通過并購(gòu)恩智浦半導(dǎo)體的方式進(jìn)軍汽車電子市場(chǎng);***的聯(lián)發(fā)科技(MediaTek)在2016年12月初宣布進(jìn)入日益成長(zhǎng)的汽車電子市場(chǎng);也有公司為了維護(hù)其市場(chǎng)地位，進(jìn)行了一些戰(zhàn)略性并購(gòu)，像安森美并購(gòu)了Fairchild，以補(bǔ)足其在中、高壓功率器件上的不足;瑞薩則通過收購(gòu)Intersil鞏固其在汽車電子市場(chǎng)的地位。

不論汽車電子是否會(huì)真正“接棒”消費(fèi)類電子市場(chǎng)，可以預(yù)見的是汽車產(chǎn)業(yè)正在向智能化、電子化等方向發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)汽車電子在整車成本中的占比正不斷增加，緊湊型車中占了15%、中高檔轎車中占約28%、混合動(dòng)力車中更占到47%、純電動(dòng)轎車中則占65%，在智能化、電子化的大趨勢(shì)下，這將會(huì)給整個(gè)半導(dǎo)體市場(chǎng)帶來新的活力和新的增長(zhǎng)點(diǎn)。本文主要討論汽車電子中的功率電子器件目前的現(xiàn)狀，未來的發(fā)展方向，以及可能會(huì)遇到的挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)策略。

功率電子器件在汽車中的發(fā)展趨勢(shì)

隨著汽車智能化、電子化的程度越來越高，對(duì)傳感器、MCU、ECU、IGBT，以及BMS等芯片的需求越來越大。無疑在這些芯片中，功率電子器件的是占絕對(duì)大頭的，那未來功率電子器件在汽車中會(huì)呈現(xiàn)怎樣的發(fā)展趨勢(shì)呢?

圖1：東芝電子(中國(guó))有限公司技術(shù)部副高級(jí)經(jīng)理劉文鑫

英飛凌新能源汽車電力電子應(yīng)用工程師何耀華認(rèn)可劉文鑫的判斷，不過他還著重補(bǔ)充了下面幾點(diǎn)。

一是將來會(huì)出現(xiàn)專用的汽車級(jí)功率電子器件。他解釋說，雖然汽車級(jí)認(rèn)證的電子元器件是車廠默認(rèn)的準(zhǔn)入條件，通過汽車級(jí)認(rèn)證的產(chǎn)品有著更高的可靠性和性能，但是為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的通用功率電子器件，已經(jīng)跟不上日新月異的新能源汽車的發(fā)展需求了，設(shè)計(jì)已經(jīng)走過初期的“將就用”的階段，精細(xì)化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了趨勢(shì)和必然。

二是平臺(tái)化設(shè)計(jì)。典型的汽車電子系統(tǒng)開發(fā)耗時(shí)2到3年，如果后續(xù)有更新的需求，推倒重頭開始開發(fā)，需要消耗大量開發(fā)成本和時(shí)間。如果功率電子器件能實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化，可以明顯降低開發(fā)成本和周期。何耀華拿英飛凌的Hybridpack drive家族產(chǎn)品舉例說，“針對(duì)70Kw~150Kw平臺(tái)，前期開發(fā)可以使用Hybridpack drive pinfin版本的高性能產(chǎn)品，做到90Kw~150Kw，后續(xù)如有70Kw~90Kw需求，只需要把功率模塊更換為Hybridpack drive flat，無需更改電路和軟件?！?/p>

三是智能化和功能安全設(shè)計(jì)。功率電子傳統(tǒng)意義上是一個(gè)被動(dòng)的執(zhí)行器件，接收指令后動(dòng)作。何耀華認(rèn)為，將來的趨勢(shì)是不僅簡(jiǎn)單的接收指令，還有部分判斷和保護(hù)功能，“例如在IGBT內(nèi)部增加電流和溫度傳感器，當(dāng)系統(tǒng)可能出故障時(shí)，能做初步的判斷，可以首先嘗試降低車輛輸出扭矩和速度，而不是直接關(guān)閉。在電池電壓偏高，降低功率器件開關(guān)速度，保護(hù)開關(guān)電路安全，在電池電壓正常時(shí)，做最高效開關(guān)動(dòng)作?！惫β势骷闹悄芑?，可以讓電子控制系統(tǒng)達(dá)到更高安全等級(jí)。

給半導(dǎo)體廠商帶來的挑戰(zhàn)

汽車應(yīng)用不同于傳統(tǒng)工業(yè)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用需求，何耀華舉例說，“大型水電站的發(fā)電機(jī)和輸配電的電力變換器的最重要特性是高可靠性和高性能，因?yàn)閱闻_(tái)價(jià)值高，數(shù)量少，元器件成本稍高也可以接受。但汽車應(yīng)用作為大規(guī)模量產(chǎn)的高端工業(yè)消費(fèi)品，終端客戶是個(gè)人，需要更好地控制終端售價(jià)，因此，對(duì)元器件成本提出了更高的要求?！?/p> 雖然成本要嚴(yán)格控制，但最為安全相關(guān)產(chǎn)品，可靠性卻不能有半點(diǎn)降低。低成本和高可靠性是相互矛盾的，這個(gè)功率半導(dǎo)體廠商提出了更高的要求。

對(duì)此，安森美半導(dǎo)體中國(guó)解決方案工程中心(SEC)高級(jí)經(jīng)理陳立烽深有同感，“功率電子器件的可靠性、能效和性價(jià)比就是功率半導(dǎo)體廠商面臨的挑戰(zhàn)?！币孕履茉雌囯姍C(jī)逆變系統(tǒng)為例，為了增加續(xù)航里程，逆變器就需要非常高的效率。同時(shí)，器件也應(yīng)確保在高溫、大電流條件下工作時(shí)的高可靠性。

除了這些，東芝電子的劉文鑫認(rèn)為，對(duì)于功率半導(dǎo)體廠商來說，車載半導(dǎo)體材料的研發(fā)、工藝的改進(jìn)，以及生產(chǎn)質(zhì)量控制等方面也是一個(gè)比較大的挑戰(zhàn)。

應(yīng)對(duì)策略

面對(duì)這些挑戰(zhàn)，不同的功率半導(dǎo)體廠商有不同的應(yīng)對(duì)的策略，有的改進(jìn)其生產(chǎn)工藝、有的使用新材料，也有的通過改變封裝來應(yīng)對(duì)。

據(jù)安森美半導(dǎo)體的陳立烽介紹，為了保證大電流，高功率的功率器件的高可靠性，在器件層面，安森美半導(dǎo)體專注于新技術(shù)以減少功率器件的導(dǎo)通損耗和寄生參數(shù)，從而提高能效和增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，此外，他們還大量投資于新的先進(jìn)的封裝設(shè)計(jì)，如TO-Leadless (TOLL)、4引腳TO-247、DSC(雙面冷卻)等。相較傳統(tǒng)的封裝，這些新的封裝具有更低的熱阻、更小的寄生參數(shù)和可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可滿足汽車應(yīng)用的關(guān)鍵要求。

他同時(shí)強(qiáng)調(diào)，安森美半導(dǎo)體所有這些器件都通過AEC認(rèn)證的嚴(yán)格測(cè)試，如高溫反向偏置(HTRB)、動(dòng)力循環(huán)等。陳立烽還特意提到，“我們的制造和質(zhì)量控制流程，也滿足業(yè)界可靠性和耐用性的需要?！?/p>

東芝則通過功率半導(dǎo)體的晶圓工藝及封裝類型的不斷革新來應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。其低導(dǎo)通阻抗(UMOS9代)、高散熱封裝(銅連接、DSOP雙面散熱)、高集成度等特性可幫助客戶實(shí)現(xiàn)大功率負(fù)載控制器的小型化設(shè)計(jì)。

對(duì)于英飛凌的應(yīng)對(duì)策略，何耀華提到了四點(diǎn)。

一是，持續(xù)更新產(chǎn)品線，提供更有力的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。他舉例說，在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的針對(duì)120Kw到150Kw逆變器用的功率半導(dǎo)體模塊Hybridpack2，英飛凌推出的更新版本的產(chǎn)品：HybirdPack drive，通過優(yōu)化晶圓性能和內(nèi)部封裝設(shè)計(jì)，在保持輸出功率不變的情況下，降低了30%體積，也就是提高了30%的功率密度，因?yàn)槭褂昧烁俚木A和降低了散熱器面積，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力也大幅提升。

二是優(yōu)化半導(dǎo)體工藝，降低成本。在多數(shù)半導(dǎo)體廠家還在用8英寸晶圓來生產(chǎn)IGBT晶片時(shí)，英飛凌是業(yè)界少數(shù)幾個(gè)采用12寸晶圓的半導(dǎo)體廠家，通過提高晶片切割的利用效率，降低IGBT晶片的成本，12英寸晶圓意味每盤待切割的晶圓數(shù)量更多，對(duì)良品率的控制要求更高，如何提高生產(chǎn)良品率也是英飛凌核心的競(jìng)爭(zhēng)力。

三是定制針對(duì)汽車應(yīng)用的IGBT晶圓。之前IGBT晶圓設(shè)計(jì)主要輸入來源是工業(yè)應(yīng)用，例如650V和1200V的IGBT分別針對(duì)220V 和380V的交流整流輸出。英飛凌針對(duì)汽車應(yīng)用另起爐灶，針對(duì)144V的中混，336V到500V的高壓強(qiáng)混和純電動(dòng)車，推出了400V和750V的晶圓，其中型號(hào)為EDT2的晶片，有著業(yè)界最高的產(chǎn)品性能，相對(duì)之前產(chǎn)品提高了20%的性能，使得更緊湊的設(shè)計(jì)成為了可能。當(dāng)然所有晶片都能滿足汽車級(jí)認(rèn)證的各相嚴(yán)苛條件。

四是大規(guī)模持續(xù)供貨能力和質(zhì)量保證。英飛凌在德國(guó)瓦爾斯泰因有2條全自動(dòng)化產(chǎn)線，專門生產(chǎn)針對(duì)汽車級(jí)的功率電子IGBT模塊，能保證足夠的產(chǎn)能。全自動(dòng)化產(chǎn)線，也完全避免了人為錯(cuò)誤帶來的影響。各種齊全的生產(chǎn)質(zhì)量控制體系，及出廠產(chǎn)品都經(jīng)過100%覆蓋的測(cè)試，將出廠產(chǎn)品的失效率降到最低。

他同時(shí)還提到，汽車級(jí)設(shè)計(jì)和認(rèn)證體系是保證其產(chǎn)品高可靠性的保證。何耀華拿最新的HybridPack drive IGBT模塊舉例，“該模塊從設(shè)計(jì)概念，到產(chǎn)品從產(chǎn)線生產(chǎn)，經(jīng)歷了3年時(shí)間，其中18個(gè)月是做可靠性驗(yàn)證研發(fā)，可靠性驗(yàn)證研發(fā)的主要工作是，用各種極限測(cè)試做加速老化驗(yàn)證，例如其中一個(gè)測(cè)試叫做溫度循環(huán)測(cè)試，需要將IGBT模塊從50度在5秒內(nèi)加熱到150度，經(jīng)歷60,000次而不出現(xiàn)壽命衰減，震動(dòng)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)也從5g提高到了20g，還能在短時(shí)間內(nèi)(11毫秒)承受50g的沖擊。同時(shí)，在2008年生產(chǎn)的HybridPack1模塊，在車輛運(yùn)行200,000公里后，拆解逆變器后將功率模塊送到英飛凌做分析，基本完好無損，能通過出廠測(cè)試流程?！?/p>

給汽車工程師的建議

在英飛凌的何耀華看來，汽車電子工程師在挑選功率電子器件時(shí)，需要關(guān)注以下技術(shù)特性。

首先，無容置疑的是需要選擇通過汽車級(jí)認(rèn)證的功率電子器件，從器件選型開始就要保證系統(tǒng)的可靠性;

其次，通過綜合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)來優(yōu)化功率器件的選型和降低成本。例如通過配合系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工況設(shè)計(jì)，根據(jù)車輛運(yùn)行工況優(yōu)化控制軟件，降低功率器件的需求 ，提高系統(tǒng)性能和降低成本;

三是，電氣參數(shù)的設(shè)計(jì)和選型。這需要考慮極限工作狀況下電氣參數(shù)的影響，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

最后一點(diǎn)也是最重要的可靠性設(shè)計(jì)。需要做失效分析和耐久試驗(yàn)。

他的建議是在設(shè)計(jì)之初就考慮可靠性和壽命，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而且需要合理設(shè)計(jì)可靠性參數(shù)，應(yīng)避免過高設(shè)計(jì)余量帶來過高的成本。

安森美的陳立烽則建議，工程師挑選功率電子器件時(shí)，首要考量的是電氣性能，包括導(dǎo)通和開關(guān)性能、安全工作區(qū)(SOA)等。雖然業(yè)界有很多新技術(shù)和新器件。例如，氮化鎵(GaN) MOSFET具有更低的開關(guān)損耗，但工程師更應(yīng)關(guān)注該新器件的驅(qū)動(dòng)器技術(shù)。

另一個(gè)需要評(píng)估的因素是寄生參數(shù)，因?yàn)檫@將導(dǎo)致對(duì)器件額外的應(yīng)力，和影響EMI性能。

此外，工程師還應(yīng)關(guān)注熱設(shè)計(jì)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵谄噾?yīng)用中，工作條件非常惡劣，所以工程師應(yīng)考慮所有條件以確保系統(tǒng)能在最壞的情況下工作。

“工程師應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，對(duì)功率器件的過電流能力、溫升參數(shù)及開關(guān)噪聲等細(xì)節(jié)方面需要事先計(jì)算和評(píng)估，以避免后期方案的測(cè)試遇到重大的技術(shù)困難。”東芝的劉文鑫這樣對(duì)工程師建議。

他拿為新能源汽車選擇功率電子器件舉例，與傳統(tǒng)汽車相比，新能源汽車的能源效率和行駛里程的問題更為突出，因此，在選擇器件時(shí)，不但要關(guān)注器件的性能和可靠性，更要對(duì)器件的靜態(tài)功耗、低工作電壓，以及單位重量等參數(shù)嚴(yán)格把關(guān)。

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