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盖世汽车 09-16

基本半导体株式会社蝶名林幹也:新能源汽车 SiC 模块发展现状

2021 年 9 月 15-17 日," 第三届世界新能源汽车大会 "(WNEVC 2021)在海南省海口市召开,由中国科学技术协会、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局共同主办。本次大会以 " 全面推进市场化、加速跨产业融合,携手实现碳中和 " 为主题,邀请全球各国政产学研各界代表展开研讨。

其中,在 9 月 15 日举办的 " 车规级芯片技术突破与产业化发展 " 主题峰会上,基本半导体株式会社汽车级功率模块研发总监蝶名林幹也发表精彩演讲。

蝶名林幹主要观点如下:

1、 碳化硅作为宽禁带半导体的代表性材料之一,其基本征特性与硅基相比具有诸多优势,碳化硅材料的优异特性让它成为了下一代功率半导体器件的理想原材料;

2、 碳化硅器件的应用场景多样丰富,在电动汽车上的应用主要为 inverter、DC/DC、OBC;

3、 为了充分发挥碳化硅材料的优势,结合碳化硅的结高温、高电流密度、热阻低特性,须采用新型耐高温、高可靠性的封装材料和低杂散电感封装工艺,特别是烧结银工艺配合铜线铜箔的封装技术。

以下内容为现场演讲实录:

蝶名林幹也:

大家好,今天我想跟大家谈谈在电动车市场功率模块使用的现状。首先跟大家简单介绍一下碳化硅材料的性能优势。大家知道碳化硅的导热系数是硅基的 3 倍,临界击穿强度是硅基的 10 倍,电子饱和漂移率是硅基 2 倍,介电常数会比硅基会少 1.7,那所以也就是说碳化硅可以应用高热高压,以及高电流频率的场景里。这边是给大家做一个碳化硅器件的市场预测,我们只看新能源汽车市场的话,会发现 2018 年到 2024 年他的年复合增长率达到了 87%。

目前我们使用碳化硅器件的应用场景,包括消费及电子产品、家电类、医疗设备、新能源汽车,环保储能、还有风电、轨道交通、智能电网,这些场景都可以用到碳化硅。

在电动汽车行业中,我们可以看到在不同零件当中都会用到碳化硅器件,使用碳化硅的零件,系统体积可以节省 40%,重量会减 30%,能效会提升 10%。

下面介绍一下碳化硅的工艺过程。首先是碳化硅的粉末,然后是碳化硅晶体,抛光成基片,然后是外延片,包括光刻定位、离子注入、钝化等等,然后就得到了碳化硅晶圆,晶圆经过后期加工会形成碳化硅芯片,然后就有了碳化硅器件,最后封装到功率模组中。接下来想跟大家讲一下碳化硅模组的封装技术。

首先要分析一下碳化硅的热管理。碳化硅的特点是功率密度高,所以它结温高,热阻低,电流密度高,因此我们要对它进行热管理。这个是我们使用的一个碳化硅模组封装技术,左边是原有的 IGBT 封装技术,我们会有一个盒子给他封装出来。对于碳化硅芯片来讲的话因为它的结温高,频率高,对这种芯片来说我们就会需要用环氧树脂封装,采用氮化硅和氮化铝做基板。这边跟大家讲一下碳化硅芯片键合的材料,银的耐热性比较高,另外我们也会使用铜线和铜箔提升可靠性,这边也是讲我们的封装技术的,配合烧结银工艺,对芯片底部进行烧结,针对基板,芯片和铜箔会做两次烧结。

然后接下来想跟大家介绍一下我们基本半导体的系列产品线,以及产品基本特性。图片上大家可以看到我们一系列的碳化硅模组,包括我们有 Pcore 2,还有 Pcore 6、Pcell 包括未来我们还有 P2cell 模组,这些模组可以运用到新能源汽车的场景。这边是 Pcore 2 器件的关断波形曲线,波形稳定无振荡。这个是 750V 碳化硅和硅基的额定损耗对比图,工作电压是 400V,频率 10kHz,不同工作电流下的损耗情况,我们看到碳化硅模块的表现比传统的 IGBT 模块表现要更好。

这个是我们公司碳化硅模组技术路线图。对于 IGBT 来讲,我们可以认为下面最原点的是 IGBT,比如说 Pcore 2 和 Pcore 6,他们的降温性能不是特别的好,但是对于 P2cell 来讲因为是碳化硅模组,各项性能都更好。总结一是碳化硅驱动芯片的功率密度高,信号的延迟比较低,另外有防短路的功能,有源米勒钳位和适用于电压通断控制。同时我们公司也有碳化硅的逆变器,这个里面是使用到我们现在目前生产的 Pcell 模组,我们展台也有我们的产品,大家有空可以去看一下,以上是我演讲,谢谢。

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)

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