本文將通過(guò)以下四個(gè)方面，和大家一起探討車規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)體的技術(shù)及應(yīng)用前景：
一、功率半導(dǎo)體技術(shù)及應(yīng)用；
二、IGBT技術(shù)在新能源汽車上的應(yīng)用；
三、車規(guī)IGBT技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案；
四、車規(guī)功率器件技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。
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01
功率半導(dǎo)體技術(shù)及應(yīng)用
近期，半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域非常熱鬧。芯片是工業(yè)的“糧食”，是支持整個(gè)社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性核心產(chǎn)業(yè)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈。功率半導(dǎo)體作為能源物聯(lián)網(wǎng)的“CPU”，是弱電控制與強(qiáng)電運(yùn)行的橋梁，能夠?qū)崿F(xiàn)能源的傳輸、轉(zhuǎn)換與控制。功率半導(dǎo)體具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、機(jī)理和制造工藝，融合了越來(lái)越多的微電子制造工藝，與我們?nèi)粘Ｉ钆龅降募呻娐沸酒兴顒e。
1. 功率半導(dǎo)體材料技術(shù)演變
功率半導(dǎo)體器件離不開(kāi)材料的支撐。半導(dǎo)體材料從40年代起到現(xiàn)在，主要經(jīng)歷了三代：第一代是元素半導(dǎo)體，主要材料為鍺（Ge）、硅（Si）；第二代是化合物半導(dǎo)體，主要材料為砷化鎵（GaAs）、硫化錫（InP）；第三代為寬禁帶半導(dǎo)體，主要材料為碳化硅（SiC）、氮化嫁（GaN），其擁有更寬的禁帶、更高的臨界擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率，因此特別適合高壓、高溫和高頻應(yīng)用。第二代化合物半導(dǎo)體主要用在微波射頻方面，大功率半導(dǎo)體用的材料主要是第一代和第三代。
2. 功率半導(dǎo)體技術(shù)演變
功率半導(dǎo)體器件自40年代在美國(guó)發(fā)明以來(lái)，其技術(shù)演變也經(jīng)歷了三代：第一代包括鍺管、硅二極管和晶閘管，以硅基晶閘管為代表，主要特征是半控性，只能控制導(dǎo)通，不能自主關(guān)斷；第二代主要以硅材料為主，包括MOSFET、GTO、IGBT和IGCT，最主要特點(diǎn)是不僅可以控制開(kāi)通，而且有自主關(guān)斷能力，可以實(shí)現(xiàn)自由開(kāi)關(guān)，且頻率更高；第三代半導(dǎo)體，以寬禁帶材料為主，包括SiC、GaN材料等，SiC材料和器件雖然上世紀(jì)八十年代就開(kāi)始有研究，但真正的快速發(fā)展還是在2000年以后，目前雖有SiC SBD和MOSFET產(chǎn)品，但技術(shù)尚未成熟。
目前主流、使用較多的半導(dǎo)體器件，一是晶閘管，它可以輸出較大功率，但頻率相對(duì)較低，主要用于直流輸電和大功率低頻電源等；二是IGCT，它是將GTO與門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路以低感方式集成在一起，這樣可以改善關(guān)斷性能，此器件目前主要用于大功率電機(jī)傳動(dòng)，包括船舶驅(qū)動(dòng)、海上風(fēng)電等；三是IGBT，自上世紀(jì)90年代突破技術(shù)瓶頸以后，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模應(yīng)用，當(dāng)前大功率IGBT最高可實(shí)現(xiàn)6500V，其應(yīng)用方式較廣，包括軌道交通、光伏發(fā)電、汽車電子等，是當(dāng)前主流開(kāi)關(guān)器件。
02
IGBT技術(shù)進(jìn)展及其新能源汽車應(yīng)用
IGBT是在MOS基礎(chǔ)上發(fā)展出的復(fù)合型功率半導(dǎo)體器件，是傳統(tǒng)電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。IGBT是電壓控制型的功率開(kāi)關(guān)器件，工作頻率介于MOS和BJT之間，功率容量較大。它最大的技術(shù)挑戰(zhàn)是要以微電子的精細(xì)結(jié)構(gòu)，耐受傳統(tǒng)電力電子的功率開(kāi)關(guān)與開(kāi)關(guān)過(guò)程中的各種電磁熱機(jī)械應(yīng)力等非常嚴(yán)酷的應(yīng)用考驗(yàn)。
IGBT是上世紀(jì)80年代初發(fā)明，30年來(lái)，其功率密度提高了3倍，損耗只有原來(lái)的1/3，可靠性越來(lái)越高，芯片越來(lái)越小的，但控制的功率則越來(lái)越大。
1. IGBT發(fā)展的技術(shù)挑戰(zhàn)
當(dāng)前IGBT的發(fā)展存在三個(gè)技術(shù)瓶頸：一是降低導(dǎo)通損耗；二是降低開(kāi)通損耗、開(kāi)通損耗；三是魯棒性，要讓各項(xiàng)參數(shù)都運(yùn)行在安全工作區(qū)（SOA）之內(nèi)，包括正偏安全工作區(qū)（FBSOA）、反偏安全工作區(qū)（RBSOA）、開(kāi)關(guān)安全工作區(qū)（SSOA）和短路安全工作區(qū)（SCSOA）。平衡和優(yōu)化好這三者關(guān)系，能夠讓IGBT向更大功率、更高密度、更高可靠性發(fā)展。
2. 封裝形式
目前IGBT主要有以下幾種封裝形式：
一是TO標(biāo)準(zhǔn)塑封模塊結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，成本也較低，主要是單芯片或一個(gè)IGBT和一個(gè)二級(jí)管等兩種形式，但是這種封裝形式的熱循環(huán)壽命有限。
二是工業(yè)/汽車級(jí)標(biāo)準(zhǔn)功率模塊結(jié)構(gòu)，目前來(lái)看，只要功率超過(guò)幾個(gè)千瓦以上，都會(huì)采用這種模塊封裝的形式，其特點(diǎn)是散熱好，功率循環(huán)和熱循環(huán)壽命相對(duì)較好，且工藝相比其他形式更為成熟，成本相對(duì)適中。
三是壓接式IGBT，這種封裝方式?jīng)]有焊層、引線鍵合，它最大的特點(diǎn)是功率容量大，擁有更高的安全工作區(qū)（SOA），且具有失效短路特性，適用于串聯(lián)應(yīng)用、可以承受較高電壓，但是工藝較為復(fù)雜，成本較高。
3. IGBT的應(yīng)用
下面以高鐵和純電動(dòng)汽車的應(yīng)用來(lái)說(shuō)明IGBT可靠性要求：
高鐵常用的IGBT是1500A/3300V焊接型模塊，一列長(zhǎng)編組由256只模塊組成，包括9216片芯片，折算芯片面積約為1.68㎡，擁有接近1.5億個(gè)IGBT元胞，只要其中一個(gè)元胞失效，這列高鐵就會(huì)出現(xiàn)故障，因此對(duì)IGBT可靠性要求非常高。
而汽車用IGBT功率小很多，主要用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、DC/DC升壓變換器、雙向DC/AC逆變器，以及充電端的DC/DC降壓變換器，電機(jī)控制器用一個(gè)6單元模塊，這種IGBT包括36片芯片，約240萬(wàn)個(gè)元胞，任何一個(gè)元胞出故障，汽車也會(huì)出現(xiàn)故障，對(duì)IGBT的可靠性要求也非常高。除此之外，新能源汽車對(duì)功率半導(dǎo)體在損耗、功率密度以及成本上也有著更高的技術(shù)需求。
目前來(lái)看，并不是所有器件都能應(yīng)用于新能源汽車。新能源汽車中IGBT面臨著復(fù)雜的使用環(huán)境和應(yīng)用工況：一是車載工況功率循環(huán)波動(dòng)比高鐵還要復(fù)雜；二是長(zhǎng)期處于高震動(dòng)、高濕度、高溫度的工作環(huán)境；三是裝配體積、重量和制造成本有嚴(yán)格限制；四是汽車模塊的長(zhǎng)期壽要長(zhǎng)于20km或長(zhǎng)于15年使用壽命。
4. 功率半導(dǎo)體的技術(shù)要求
汽車級(jí)功率半導(dǎo)體模塊標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)期缺失，直到最近幾年才有一些標(biāo)準(zhǔn)可以參考。汽車IGBT一是要滿足最新汽車級(jí)標(biāo)準(zhǔn)LV324/AQG324的要求，二是中國(guó)IGBT聯(lián)盟和中關(guān)村寬禁帶聯(lián)盟等團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)主要在溫度沖擊、功率循環(huán)、溫度循環(huán)、結(jié)溫等與全生命周期可靠性相關(guān)的一些方面提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。
目前，IGBT的技術(shù)能夠?yàn)槠噾?yīng)用提供完整的解決方案，滿足市場(chǎng)多樣化的需求，包括更高的功率密度、更高的可靠性、更高的工作結(jié)溫、更低的成本以及定制化的能力。
中國(guó)作為全球新能源汽車最大的應(yīng)用市場(chǎng)，2018年將近130萬(wàn)輛汽車，到2020年將達(dá)到200萬(wàn)輛新能源汽車，為汽車IGBT市場(chǎng)提供了一個(gè)非常好的市場(chǎng)空間。
03
車規(guī)級(jí)IGBT的技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案
新能源汽車對(duì)IGBT提出非常高的要求，要求其擁有更強(qiáng)大、更高效的功率處理能力，同時(shí)也要降低本身過(guò)多的電力消耗和不必要的熱量產(chǎn)生，以提高整車的性能。
1. 技術(shù)難題與挑戰(zhàn)
目前技術(shù)方面遇到的主要難題：一是續(xù)駛里程與排放要求帶來(lái)的低損耗問(wèn)題；二是輕量化帶來(lái)的高功率密度與散熱問(wèn)題；三是惡劣運(yùn)行環(huán)境與極端工況所要求的的安全工作區(qū)和長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題；四是汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)要求的低成本問(wèn)題。
目前車規(guī)級(jí)IGBT面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)：一是芯片的設(shè)計(jì)與制造，芯片低功耗高與高可靠性、高功率容量之前較難平衡；二是芯片封裝的全流程，解決高效散熱、可靠性等并進(jìn)行性能驗(yàn)證，以確保汽車長(zhǎng)期的可靠運(yùn)行；三是如何通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制，保障某些特殊工況下IGBT的正常運(yùn)行。
2. 車規(guī)級(jí)IGBT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
目前IGBT的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種：?jiǎn)喂苣K、2 in 1模塊、6 in 1模塊，組成一個(gè)完整的3相全波整流電路，通過(guò)靈活的電路拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)在汽車上不同的集成應(yīng)用要求。
3. 各企業(yè)技術(shù)路線圖
（1） 英飛凌
2013年起，英飛凌對(duì)車規(guī)級(jí)IGBT芯片技術(shù)進(jìn)步作出了很多貢獻(xiàn)，包括IGBT3和HybridPACK 2。電壓從650V提高到750V，電流密度從150A/cm2提高到270A/cm2，功率密度約為2kw/mm2，比高鐵IGBT功率密度更高。
（2） 三菱
三菱在芯片和封裝環(huán)節(jié)做了大量的研發(fā)工作，其雙面散熱技術(shù)相對(duì)領(lǐng)先。
（3） 中車
中車自2008年進(jìn)入IGBT領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)10年發(fā)展，目前IGBT在高鐵上的應(yīng)用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自主化，電網(wǎng)的應(yīng)用也開(kāi)始批量、大規(guī)模推廣。2012年起，中車開(kāi)始布局車規(guī)級(jí)IGBT的研發(fā)工作，目前已經(jīng)研發(fā)兩代車規(guī)級(jí)IGBT技術(shù)，包括第5代高性能溝槽柵和第6代精細(xì)溝槽柵IGBT芯片，電流密度達(dá)到275A/cm2，與國(guó)外先進(jìn)水平相當(dāng)，并已開(kāi)始研發(fā)基于逆導(dǎo)RET技術(shù)的下一代更高電流密度芯片。
4. 車規(guī)級(jí)IGBT技術(shù)解決方案
（1）高性能FRD
使用高性能FRD，可以有效減小振蕩和干擾問(wèn)題，穩(wěn)定車規(guī)級(jí)IGBT的運(yùn)行。目前，中車FRD主要是基于先進(jìn)PIC結(jié)構(gòu)，通過(guò)質(zhì)子和電子輻照，對(duì)少子壽命進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了與IGBT性能上的良好匹配。另一種解決方案是使用SiC SBD來(lái)實(shí)現(xiàn)IGBT的續(xù)流控制，這種方式可以降低IGBT模塊30%的損耗，但弊端是因?yàn)镾BD反向恢復(fù)快、會(huì)對(duì)IGBT的開(kāi)通造成很大電流沖擊，影響長(zhǎng)期可靠性。因此，如果能找到性能比較好的FRD，不建議采用兩種不同頻率器件混合使用，會(huì)影響總體性能和可靠性。
（2）布局優(yōu)化與低感設(shè)計(jì)
通過(guò)布局優(yōu)化與低感設(shè)計(jì)，可以降低高頻應(yīng)用條件下EMI的影響，改善芯片均流，降低開(kāi)關(guān)過(guò)程的電壓過(guò)沖，提高功率密度。
（3）絕緣結(jié)構(gòu)
IGBT主要通過(guò)陶瓷襯板，來(lái)實(shí)現(xiàn)陰性和陽(yáng)性的絕緣，目前使用的襯板包括AlN陶瓷襯板、Al2O3陶瓷襯板、Si3N4陶瓷襯板。出于對(duì)成本控制，多數(shù)車規(guī)級(jí)IGBT都使用Al2O3陶瓷襯板進(jìn)行封裝。但Al2O3與硅、銅熱膨脹系數(shù)相差較大，在使用過(guò)程中會(huì)此引起材料的疲勞與焊接層的退化，從而影響整個(gè)模塊的使用壽命。
（4）優(yōu)化封裝材料體系
IGBT電性能的改善已經(jīng)遇到瓶頸，可以通過(guò)改善熱設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)一步提高IGBT的性能與可靠性，優(yōu)化封裝材料體系，減少封裝互連界面，將熱膨脹系數(shù)的失配盡可能降低，做成一體化集成襯板，改善IGBT模塊的特性。
（5）高效散熱技術(shù)
在基板也有技術(shù)措施來(lái)改善車規(guī)級(jí)IGBT的性能：使用帶有Pin-fin結(jié)構(gòu)的直接液冷散熱，雙面水冷散熱技術(shù)，可降低20%-30%的熱阻。
（6）模塊封裝可靠性設(shè)計(jì)
IGBT使用過(guò)程當(dāng)中可靠性的最大問(wèn)題是焊接層，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)引起材料退化，從而引起熱阻和導(dǎo)通壓降升高。針對(duì)這一問(wèn)題，目前已有新的解決方案：通過(guò)低溫?zé)y結(jié)技術(shù)，達(dá)到超高的熔點(diǎn)、優(yōu)良的熱導(dǎo)率，從而獲得較好的熱循環(huán)和功率循環(huán)能力。
銅工藝技術(shù)也能提高可靠性。高鐵模塊使用銅金屬化+銅線縫合；汽車模塊使用銅箔燒結(jié)+銅線鍵合。通過(guò)此種銅工藝技術(shù)可以將功率循環(huán)能力提高10倍。
另一個(gè)可提高可靠性的方法是雙面焊接技術(shù)。目前所有模塊的封裝，都是基于單面散熱這種模式實(shí)現(xiàn)的，而雙面焊接則使芯片直接與對(duì)襯板相連，取消引線互連，可提升50%的功率循環(huán)能力。
功率端子是IGBT通過(guò)最大電流、產(chǎn)生最大熱量的地方，端子連接質(zhì)量直接影響IGBT模塊應(yīng)用可靠性，也是IGBT主要的失效模式之一，在所有導(dǎo)致IGBT失效的影響因素中占比較高。傳統(tǒng)工藝是通過(guò)焊片來(lái)實(shí)現(xiàn)端子跟襯板的互連，新的技術(shù)主要通過(guò)金屬段子超聲焊接的方式，可以顯著降低接觸熱阻，改善散熱能力，增加電流承載能力，提高車載環(huán)境中機(jī)械震動(dòng)和沖擊的抵抗能力。
（7）封裝模式
目前車規(guī)級(jí)IGBT主要有三種封裝模式：標(biāo)準(zhǔn)封裝模式——Type 1、針翅型封裝——Type2、平面封裝——Type3。
中車汽車級(jí)IGBT模塊包括S1模塊、S2模塊、S3模塊和L1模塊，分別對(duì)標(biāo)英飛凌的HP2、DC6和HPDrive，包括全部參數(shù)與性能及外部接口尺寸，雙面散熱的模塊英飛凌還沒(méi)有大規(guī)模推廣。L1是一種平面封裝模塊，實(shí)現(xiàn)雙面散熱，目前正在做樣品驗(yàn)證。
04
車規(guī)級(jí)功率器件技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
未來(lái)，電機(jī)控制器將進(jìn)一步小型化、輕量化，要求高功率與高效率、芯片損耗更低、電流密度更大、頻率與工作溫度更高。同時(shí)，要求模塊散熱更好、焊接層與焊點(diǎn)更牢固，長(zhǎng)期可靠性更高。
目前主流技術(shù)解決方案包括：通過(guò)精細(xì)化技術(shù)，做到溝槽精細(xì)化，以此達(dá)到更高的電流密度；將IGBT跟FRD通過(guò)單片集成的方式結(jié)合，進(jìn)一步提高電流密度；通過(guò)超結(jié)等技術(shù)進(jìn)一步降低IGBT的損耗。
提高模塊可靠性可從以下幾方面入手：全銅模塊、高溫封裝和功能集成。
1. 芯片技術(shù)迭代示意
目前，滿足汽車需求的IGBT產(chǎn)品已用灰色區(qū)域標(biāo)注（見(jiàn)下圖），包括英飛凌的IGBT3、IGBT4、EDT2，日系（富士電機(jī)、三菱電機(jī)）包括IGBT5、IGB6、IGB7，中車包括第5代TMOS、6代RTMOS和7代RCMOS。英飛凌的IGBT4與中車第5代TMOS對(duì)應(yīng)，EDT2跟中車的第6代RTMOS對(duì)應(yīng)。
2. 精細(xì)化技術(shù)
為了實(shí)現(xiàn)更高功率密度，一方面希望芯片厚度越來(lái)越薄。另一方面，通過(guò)精細(xì)化的技術(shù)，讓IGBT元胞變得越來(lái)越小，單位面積的芯片有效面積可以容納更多的元胞，增強(qiáng)正面載流子注入，減小壓降與寄生電容。
中車開(kāi)發(fā)的第6代IGBT，采用了自主研發(fā)的RET (Recessed-Emitter-Trench)技術(shù)，可以通過(guò)RET實(shí)現(xiàn)1.2um - 0.5um的Mesa結(jié)構(gòu)，已經(jīng)達(dá)成2750A/cm2目標(biāo)，與英飛凌EDT2相當(dāng)，正在努力實(shí)現(xiàn)電流密度達(dá)到300A/cm2或更高。此外，采用質(zhì)子注入和激光退火等技術(shù)實(shí)現(xiàn)超薄片工藝，優(yōu)化P發(fā)射極-n緩沖層設(shè)計(jì)，提升耐壓和短路安全工作區(qū)。此外，基于RET引入RDT，可以在維持Vce較低水平的同時(shí)降低Eon和Eoff，進(jìn)一步改善特性。
另一個(gè)精細(xì)化技術(shù)是基于RET第7代IGBT的逆導(dǎo)型，擁有更高的功率密度和良好的功率循環(huán)能力，溫度更加均勻，且由于IGBT和FDR交錯(cuò)的工作模式，能夠更加有效利用芯片面積。
3. 超結(jié)技術(shù)
超結(jié)IGBT技術(shù)。目前超結(jié)技術(shù)有兩個(gè)方向：一是邊緣終端的超結(jié)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)臺(tái)面尺寸更小，有效面積更大；二是通過(guò)垂直超結(jié)技術(shù)，這樣可以把芯片做得更薄，損耗更低，電流能力會(huì)更大。
4. 高結(jié)溫終端技術(shù)
溫度提高對(duì)功率容量提升作用很大，但前提是IGBT芯片能夠承受高溫，所以高溫終端技術(shù)就成為了核心。當(dāng)前技術(shù)可以讓高鐵IGBT在150度的環(huán)境下正常運(yùn)行，汽車IGBT已經(jīng)可以在175度的環(huán)境下正常運(yùn)行。
未來(lái)，高鐵IGBT的抗高溫能力將做到175度或更高，汽車IGBT的抗高溫能力將做到200度或更高。可以說(shuō)，高結(jié)溫對(duì)整個(gè)芯片的設(shè)計(jì)和材料體系都將是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。
5. 碳化硅芯片
碳化硅（SiC）因?yàn)榻麕挕?dǎo)熱和絕緣能力強(qiáng)，非常適合作為功率半導(dǎo)體的材料，它比硅（Si）基器件更容易實(shí)現(xiàn)低損耗、高開(kāi)關(guān)頻率、高結(jié)溫，且溫度升高對(duì)于開(kāi)關(guān)損耗變化很小，良好的輸出特性更適合于牽引工況。
（1）碳化硅器件的優(yōu)勢(shì)
SiC MOSFET與Si IGBT比較，工作頻率更高、損耗更低，且隨著功率頻度升高，損耗低的優(yōu)勢(shì)將會(huì)更加明顯體現(xiàn)。
SiC器件主要有以下應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：低 Rds(on)、可耐受200度工作溫度、10倍的工作頻率、低損耗、散熱要求低、體積小。
（2）碳化硅器件的技術(shù)挑戰(zhàn)
目前碳化硅芯片仍面臨很多技術(shù)挑戰(zhàn)：一是制造高質(zhì)量、低缺陷率的襯底和外延層；二是提高M(jìn)OSFET溝通遷移率和柵氧穩(wěn)定性；三是溝槽柵SiC技術(shù)如何做到低損耗、大電流容量、更高可靠性。
6. 先進(jìn)封裝技術(shù)
通過(guò)先進(jìn)封裝技術(shù)，降低模塊電感，提高可靠性。目前主要的工作體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
· 直接端子互連技術(shù)：實(shí)現(xiàn)芯片表面平面鍵合，替代傳統(tǒng)引線鍵合；
· 柔性PCB互連技術(shù)：集成功率端子，降低雜散電感，提高功率循環(huán)能力；
· 3D封裝技術(shù)：AMB技術(shù)實(shí)現(xiàn)疊層互連，減少封裝材料界面，提升汽車模塊散熱性能；
· 全銅工藝：芯片銅金屬化、銅線互連、銅端子超聲焊接、銅燒結(jié)技術(shù)；
· SiC高溫封裝：基于高溫封裝材料的低電感、高集成度、多功能、復(fù)合SiC模塊封裝技術(shù)。
7. 功能集成
加強(qiáng)具有集成溫度或電流傳感功能的精細(xì)溝槽柵芯片技術(shù)，設(shè)計(jì)更加緊湊的集成水冷流道的散熱結(jié)構(gòu)，集成逆變橋及整流橋功能的多合一功率模組。
關(guān)于SiC器件技術(shù)，中車從2010年開(kāi)始SiC器件研發(fā)，已經(jīng)突破SiC器件關(guān)鍵技術(shù)，建成了一條6英寸SiC芯片生產(chǎn)線，研發(fā)了包括SBD和MOSFET ，1200V到1700V到330V都有一些產(chǎn)品在做小批量的試驗(yàn)，包括全碳化硅的器件，這里是3300V，混合模塊和碳化硅模塊在高鐵和軌道交通實(shí)現(xiàn)。
最后，小結(jié)一下汽車級(jí)IGBT的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。未來(lái)，功率半導(dǎo)體IGBT的芯片將會(huì)更小、晶圓更大、厚度更薄，通過(guò)成本、功率密度、結(jié)溫、可靠性等方面的提升，實(shí)現(xiàn)整個(gè)芯片技術(shù)進(jìn)步。模塊的未來(lái)趨勢(shì)是更高的熱導(dǎo)率材料、更厚的覆銅層、良好的集成散熱功能和更高的可靠性。
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總結(jié)
第一，汽車的未來(lái)是電動(dòng)汽車+綠色能源+智能網(wǎng)聯(lián)，這樣才能支撐新能源汽車可持續(xù)發(fā)展，這里要特別強(qiáng)調(diào)一下單憑汽車的電動(dòng)化而沒(méi)有綠色能源的大規(guī)模應(yīng)用，很難實(shí)現(xiàn) 預(yù)期的降低排放的目標(biāo)。
第二，基于大功率晶閘管、壓接IGBT、IGCT、高壓SiC器件的電力電子技術(shù)，支撐綠色能源的產(chǎn)生、傳輸和用戶電力定制。
第三，高功率密度的IGBT在性能、可靠性等方面會(huì)繼續(xù)發(fā)展，在較長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)會(huì)是汽車電動(dòng)化的主流器件。
第四，SiC、GaN等第三代半導(dǎo)體器件加速成熟，將在新能源汽車獲得廣泛應(yīng)用，但需要一個(gè)過(guò)程，對(duì)硅基IGBT也不是一個(gè)簡(jiǎn)單的替代，而是相互補(bǔ)充。
第五，國(guó)產(chǎn)器件有能力支撐國(guó)內(nèi)新能源汽車技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
Q&A
Q：當(dāng)前，特斯拉的電壓已經(jīng)超過(guò)1000V，而國(guó)內(nèi)充電樁的最高電壓為750V，對(duì)于特斯拉的技術(shù)方向，您有何什么見(jiàn)解？
A：750V是最大的技術(shù)挑戰(zhàn)，其對(duì)制造工藝要求非常高。如果實(shí)現(xiàn)不了50-60微米的芯片加工能力，就很難做好750V的器件。1200V器件的制造難度比750V要小，所以很多半導(dǎo)體廠家更愿意做1200V的器件。
Q：未來(lái)3年，IGBT在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)成本逐漸降低，您是否有百分比量化的預(yù)測(cè)？
A：實(shí)際上，汽車IGBT的價(jià)格一直在降。最近，由于制造端供應(yīng)偏緊，因此價(jià)格較為平穩(wěn)。相信未來(lái)隨著對(duì)低成本的需求和諸多競(jìng)爭(zhēng)因素等，會(huì)讓IGBT的成本價(jià)格下降，下降也應(yīng)該是一個(gè)較為平穩(wěn)的過(guò)程。
Q：在汽車領(lǐng)域，碳化硅未來(lái)會(huì)不會(huì)是一種趨勢(shì)？有沒(méi)有可能替代IGBT？
A：碳化硅特性較好，優(yōu)勢(shì)很明顯。但劣勢(shì)也較為明顯，目前主要體現(xiàn)在質(zhì)量、可靠性與價(jià)格等方面，主要包括三方面：第一，碳化硅很難做到單片電流較大；第二，碳化硅器件加工效率低；第三，硅器件有很多結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，碳化硅本身的優(yōu)勢(shì)比硅要好，目前因?yàn)椴牧吓c工藝因素很難通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化去實(shí)現(xiàn)性能上的大幅度提高，尤其是其摻雜的靈活性、效率與效果很難與硅工藝去競(jìng)爭(zhēng)。
碳化硅有優(yōu)勢(shì)也有劣勢(shì)，總體來(lái)說(shuō)碳化硅是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，但可能需要一個(gè)過(guò)程。目前其超過(guò)其他器件十倍以上的價(jià)格，很難在市場(chǎng)中競(jìng)爭(zhēng)。
