近日，2020第三代半導(dǎo)體支撐新能源汽車創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇在廣州南沙舉行。

 

廣東芯聚能半導(dǎo)體有限公司總裁 周曉陽出席論壇并分享主題報告

 

會上，廣東芯聚能半導(dǎo)體有限公司總裁周曉陽發(fā)表了《SiC 功率模塊在新能源汽車中的應(yīng)用》的主題演講，以其三十多年的半導(dǎo)體行業(yè)從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了當(dāng)下碳化硅功率模塊在新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈中應(yīng)用的情況。

廣東芯聚能半導(dǎo)體有限公司總裁 周曉陽

 

在過去的兩年時間里，全球市場也發(fā)生了些“微妙”的變化：SiC襯底供應(yīng)開始嚴(yán)重不足，但是數(shù)個關(guān)鍵公司和Cree/其他簽署了長期供貨協(xié)議。Cree供應(yīng)全球40%的SiC wafer，并宣布在未來5年投資10億美元，擴(kuò)展襯底生產(chǎn)產(chǎn)能，其他襯底供應(yīng)商也在擴(kuò)產(chǎn)。Infineon（英飛凌）收購了具有襯底制造技術(shù)的Siltectra；ST收購了Norstel55%的股權(quán)，On Semi 自研襯底等等。

 

這主要原因是特斯拉開始引入SiC MOSEFT到主驅(qū)上并迅速量產(chǎn)，并被市場廣泛接受，客戶反應(yīng)良好。緊跟著，國產(chǎn)新能源車也開始引入SiCMOSFET到主驅(qū)上，效果反應(yīng)良好。隨著SiC襯底逐漸起量，價格也開始下降。SiC 市場從以二極管為主逐漸過渡到以MOSFET為主（國際市場）。

 

從全球幾大SiC國際大廠的發(fā)展戰(zhàn)略來看，ST最早量產(chǎn)并大量應(yīng)用于特斯拉，并用較低的價格搶占市場份額，以達(dá)到規(guī)模經(jīng)濟(jì)，其2019年收購Norstel，向上垂直整合發(fā)展，且在向8寸過度。

 

與此同時，Cree和Rohm也通過向下垂直整合的方式推動產(chǎn)品開發(fā)，并向8寸過渡以達(dá)到器件級別的價格競爭力；而英飛凌則是硅基IGBT 12寸和SiC雙輪發(fā)展，在封裝有規(guī)模價格優(yōu)勢；此外，Tier1廠商的博世也布局參與第一梯隊(duì)的競爭。

 

在整車廠及Tier1引入SiC的情況方面，周曉陽指出，目前博格華納、欣銳科技、吉利汽車、大眾及BYD等企業(yè)布局OBC領(lǐng)域，特斯拉、豐田、本田、BYD，吉利及蔚來等企業(yè)積極布局主驅(qū)，而DC-DC領(lǐng)域主要有欣銳科技、特斯拉、吉利汽車、BYD等公司。

 

周曉陽特別強(qiáng)調(diào)，目前這個領(lǐng)域會有越來越多玩家進(jìn)入，隨著行業(yè)快速發(fā)展，整個市場布局也是瞬息萬變，上述名單也不是非常全面。

 

之所以在這幾個方面能快速吸引玩家進(jìn)入，與碳化硅的“價值主張”密不可分。周曉陽認(rèn)為，相比硅材料，碳化硅可實(shí)現(xiàn)更高結(jié)溫，更高頻率，更高耐壓，這樣就給電動汽車更有效的電驅(qū)控制，提高續(xù)航里程，減少電池消耗，也可減少整個電驅(qū)系統(tǒng)的體積與重量；可用于速度更快、容量更高的的車載充電方案；由于碳化硅優(yōu)異的性能表現(xiàn)及本身成本的不斷降低（材料工藝更加成熟），將帶來系統(tǒng)級成本優(yōu)勢以及加速其在純電動市場上的應(yīng)用，基于此，碳化硅未來存在巨大的增長機(jī)會。

 

盡管未來前景很好，但碳化硅芯片本身具有場強(qiáng)、能隙、熱導(dǎo)率、熔點(diǎn)、電子遷移率等方面的新特性，對封裝提出了新要求和挑戰(zhàn)，要想從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品量產(chǎn)，其中的工藝實(shí)現(xiàn)要經(jīng)歷應(yīng)用環(huán)境、嚴(yán)苛的可靠性要求、質(zhì)量成本、新工藝檢測方法、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范性挑戰(zhàn)諸多嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。

 

作為封裝領(lǐng)域具有三十多年經(jīng)驗(yàn)的老兵，周曉陽從結(jié)構(gòu)、材料、集成和工藝等方面展示了對碳化硅的熱力和電感等封裝設(shè)計(jì)優(yōu)化的思路。

 

周曉陽將碳化硅的封裝形式分為三類：第一類為分立器件封裝，它具有標(biāo)準(zhǔn)化、大產(chǎn)量、低成本等優(yōu)勢，適合于IDMs&OSAT的特點(diǎn)；第二類為二合一到四合一的小模塊，它具有更大的設(shè)計(jì)及尺寸靈活性、更好的散熱等特點(diǎn)，對OSAT相對門檻較低，比功率模塊的量大；此外，還有非標(biāo)準(zhǔn)化的功率模塊，相對小批量多品種，這類封裝的技術(shù)挑戰(zhàn)大、門檻高。芯聚能主要發(fā)力后兩類模塊。

 

周曉陽表示，新型銀燒結(jié)工藝可以有效的提高芯片連接可靠性，極大的提高導(dǎo)熱能力，但其工藝的實(shí)現(xiàn)，質(zhì)量判斷的標(biāo)準(zhǔn)和方法仍然對很多企業(yè)存在諸多挑戰(zhàn)。

 

SiC模塊在封裝設(shè)計(jì)同樣面臨諸多挑戰(zhàn)。SiC晶圓和襯底國內(nèi)較少、芯片價格高、封裝研發(fā)成本較高，面臨成本挑戰(zhàn)。過去主要以代工為主，封裝研發(fā)設(shè)計(jì)積累不深，科研體系與產(chǎn)業(yè)銜接起步階段，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)面臨著技術(shù)儲備挑戰(zhàn)。新型先進(jìn)材料和工藝仍以進(jìn)口為主，對產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)性，在材料與設(shè)備環(huán)節(jié)面臨硬件設(shè)施挑戰(zhàn)。同時，主流CAE軟件國外為主，成本較高，技術(shù)支持和經(jīng)驗(yàn)積累較薄弱，面臨著軟件支持挑戰(zhàn)。

 

周曉陽認(rèn)為，正因?yàn)槿騍iC產(chǎn)業(yè)化剛剛開始，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)起步雖晚，但推動力度大進(jìn)度快，封裝技術(shù)瓶頸和差距依然具備追趕并進(jìn)的機(jī)會。

 

報告中，周曉陽現(xiàn)場詳解了關(guān)于SiC模塊在靜態(tài)測試、動態(tài)測試及可靠性方面存在的挑戰(zhàn)。關(guān)于SiC模塊的靜態(tài)測試挑戰(zhàn)：相比IGBT器件，SiC器件具有自身的材料特性，測試方法也需要做出相應(yīng)的調(diào)整。1）針對Vgsth的測量，在不同柵極脈沖測試順序后，結(jié)果會發(fā)生偏移；2）大功率模塊采用多芯片并聯(lián)；相比IGBT，SiC MOSFET的器件電氣參數(shù)具有更大分散性，在模塊并聯(lián)配置時需要更準(zhǔn)確的分組設(shè)置和測試方法。

 

關(guān)于SiC模塊的動態(tài)測試挑戰(zhàn)：相比IGBT器件，SiC器件開關(guān)速度更快，受寄生參數(shù)的影響也更大：1）SiC器件柵極電壓工作范圍相對IGBT更小，在雙脈沖測試時需考量柵極電壓波動幅度，以避免上下橋直通；2）雙脈沖測試系統(tǒng)雜散電感對SiC器件波形影響更大，導(dǎo)致讀值異常；3）SiC器件在大電流關(guān)斷時di/dt高，模塊會承受較大的電壓應(yīng)力，電壓尖峰容易超過安全工作區(qū)。

 

關(guān)于SiC模塊的可靠性挑戰(zhàn)：SiC芯片本身的本征可靠性問題有SiC 材料缺陷引起的可靠性問題，SiC Fab 工藝（或材料缺陷和工藝共同）引起的可靠性問題；模塊封裝的傳統(tǒng)可靠性問題及SiC特殊封裝工藝相關(guān)的可靠性問題，提高可靠性的對策， 改進(jìn)襯底制造，芯片制作工藝，封裝工藝，提高可靠性；芯片級別的老化篩選，剔除早期缺陷。

 

最后，周曉陽介紹了公司自主開發(fā)了SiC車載主驅(qū)模塊最新進(jìn)展。2020年8月完成了1200V/750V多個版本的設(shè)計(jì)定型；10月完成了A樣試制，采用了高溫高壓銀燒結(jié)技術(shù)，目前產(chǎn)品通過了主機(jī)廠性能測試。

 

周曉陽透露，“計(jì)劃與明年達(dá)到SOP狀態(tài)，2021年的產(chǎn)能目標(biāo)超過3萬塊/月。”

 

芯聚能是面向新能源汽車及一般工業(yè)產(chǎn)品功率芯片設(shè)計(jì)，功率模塊開發(fā)制造的高科技技術(shù)企業(yè)，專注于IGBT/SiC功率模塊及功率器件研發(fā)、設(shè)計(jì)、封裝、測試及營銷業(yè)務(wù)，為客戶提供完整的解決方案。芯聚能管理與技術(shù)團(tuán)隊(duì)主要來自歐美日大公司，以海外高端技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化人才為核心，具有國際知名半導(dǎo)體公司工作經(jīng)驗(yàn)，涵蓋了芯片設(shè)計(jì)、研發(fā)、工藝開發(fā)、測試驗(yàn)證及應(yīng)用方案、生產(chǎn)運(yùn)營及品質(zhì)管理等各個方面領(lǐng)域。