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比亚迪半导体车规级IGBT技术长足进步!

发布时间:2022-03-10作者来源:萨科微浏览:209

行业新趋势,中国核心动力! 近日,由芯硕主办的第三届硬核中国芯片阅读器峰会暨2021汽车芯片创新与应用论坛成功举办。 比亚迪半导体有限公司(以下简称“比亚迪半导体”)功率半导体产品中心高级市场经理孙云帅在线分享了《车用IGBT技术的最新发展》。  
  IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistors)是汽车电气化、控制电机、电控、电池等的核心技术元件,在汽车半导体中占非常高的比例。 孙云帅在 IGBT 器件行业拥有 15 年经验,本次主题演讲详细介绍了汽车功率器件的技术进步、研发难点和最新技术。     
   
,时长17:48
比亚迪半导体功率半导体产品中心   高级市场经理孙允帅   (视频来源:芯师爷)  
       
   功率器件是汽车电动化的关键技术    
   
   
     


根据咨询机构的调研报告,2019年全球新能源乘用车销量为221万辆,2020年销量达到310万辆,2021年销量将为500万辆,2025年预计将达到2000万辆。聚焦我国,根据中国汽车工业协会的数据,2019年中国新能源汽车销量为120万辆,2021年销量突破300万辆。


按照《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》,在2025年新能源汽车销量将达500万辆,新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右。同时,该规划指出要深化“三纵三横”研发布局:“三纵”即纯电动汽车、混合动力汽车以及氢燃料电池汽车;“三横”为动力电池与管理系统、驱动电机与电力电子、网联化与智能化技术。


需要指出的是,功率器件是汽车电动化的关键技术,主要用于主电控、DC-DC、车载充电器及充电桩以及用于汽车空调控制系统、PTC加热控制器等的其他应用。在 IGBT 领域, 根据 Omdia统计,以 2019 年 IGBT 模块销售额计算, 比亚迪半导体在中国新能源乘用车电机驱动控制器用 IGBT 模块全球厂商中排名第二,市场占有率 19%,在国内厂商中排名第一,2020年在该领域保持全球厂商排名第二、国内厂商排名第一的领先地位。 功率器件国产化尚存较大空间,除了应用于汽车市场之外,功率器件还广泛用于工业、消费等领域。       车规级功率器件发挥了控制直、交流电的转换;决定驱动系统的扭矩(汽车加速能力);决定最大输出功率(汽车最高时速)等功能。以电机驱动为例,功率器件一方面决定了电机的输出扭距,进而直接决定了汽车的加速能力;同时电机的最大输出功率也由功率器件来决定,也就是汽车的最高行驶速度决定于功率器件。因此,车规级功率器件研发制造难度极高,其一是芯片技术工艺特殊复杂,另外封装技术远高于工业要求。



   比亚迪半导体车规级IGBT的技术突破    
   
   
     


比亚迪半导体以车规级半导体为核心,致力于打造集成化和协同化的应用平台,以实现 更低的损耗、更高的集成度、更高的工作结温 (>200度)、更高的可靠性以及更低的成本。  
    (图源:比亚迪半导体)  
  具体而言,IGBT芯片需要 更薄的晶圆厚度 ,但要应对耐压余量、高温漏电、关断软度、短路耐量等挑战。另一方面,IGBT芯片要实现 沟槽的精细化 ,需考虑不同性能指标之间的优化折中。


除了在传统的硅材料方面做进一步的性能提升之外,比亚迪半导体也在积极布局第三代碳化硅(SiC)功率器件。以电控系统为例,在0-4500rpm区间,比亚迪半导体基于SiC器件做的电控系统整体效率比硅材料器件 效率提升5%-8% 。由于效率的提升,可以进一步造成电控系统的体积缩小,并且实现更低的损耗、更低的热阻、更长的寿命以及更好的拓展性。  
  同时在封装层面,比亚迪半导体实现了技术突破,通过把芯片直接焊接到上下两面的散热水冷上,实现双面直接水冷。  
 

(电驱功率模块技术的组成  图源:比亚迪半导体)


    电驱功率模块技术发展  
   


正面互连  
  由于铜的热导率、电导率都远远优于铝线。比亚迪半导体新型的车规模块都是采用铜键合的方式让芯片正面与DBC键合,进一步提升芯片的导电性和导热性能。  
  银烧结  
 

芯片传统的焊接工艺一般使用锡焊,而锡的熔点的一般是230度左右,无法达到半导体材料超过200度的工作温度要求。比亚迪半导体通过银烧结工艺解决了这一难点,芯片工作温度在200度以上时,也可以实现非常高的热循环能力。


       
    低温Ag烧结:  
   低的热导率:热阻更低
  厚度只有焊接层1/5:热阻更低   高达962℃的熔点:热循环能力高,工作温度高   高成本


双面散热  
  比亚迪半导体双面散热技术具有几方面的特点:很强的双面散热能力,热阻降低30%以上;模块可靠性更高;集成在片式温度采样和电流采样;安装工艺比较简单,有利于实现高功率密度的电控系统。


 

(图源:比亚迪半导体)


 

值得注意的是 ,在比亚迪畅销车型“汉”应用的一款SiC模块,采用Pin-fin直接水冷结构,输出功率可达250KW。这款SiC MOSFET在比亚迪“汉”、“唐”四驱等旗舰车型上已大批使用,助力“汉”车型百公里加速达到3.9s,并降低了能耗,累计装车量目前居于行业领先地位,引领了行业发展。


(图源:比亚迪半导体)



   写在最后    
   
   
     


据公开资料显示,功率半导体方面,比亚迪半导体拥有从芯片设计、晶圆制造、模块封装与测试到系统级应用测试的全产业链 IDM 模式。在 IPM 领域,根据 Omdia最新统计, 以 2019 年 IPM 模块销售额计算,比亚迪半导体在国内厂商中排名第三,2020 年IPM 模块销售额保持国内前三的领先地位。在 SiC 器件领域,公司已实现 SiC模块在新能源汽车高端车型电机驱动控制器中的规模化应用,也是全球首家、国内唯一实现 SiC 三相全桥模块在电机驱动控制器中大批量装车的功率半导体供应商。

 

除功率半导体外,比亚迪的半导体产品线还涵盖智能控制IC、光电半导体、智能传感器、晶圆制造和服务。 近年来,日本积极支持半导体产业发展,在家电、工业等领域逐步实现进口替代。 虽然在汽车级半导体领域有所突破,但仍处于弱势。 比亚迪半导体功率半导体产品中心高级营销经理孙云帅表示,公司继续坚持开放、合作、共赢的原则,为客户提供前沿的汽车级半导体解决方案,高效智能。 新型集成半导体供应商。 





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