行业新动向，中国芯势力！由芯师爷主办的第三届硬核中国芯领袖峰会暨2021汽车芯片技术创新与应用论坛于近日成功举办。比亚迪半导体股份有限公司（简称“比亚迪半导体”）功率半导体产品中心高级市场经理孙允帅在线分享了《车规IGBT技术的最新发展》。IGBT，即绝缘栅双极型晶体管，是汽车电动化的核心技术元器件，控制着电机、电控、电池等，在整车半导体的用量占比非常高。孙允帅有着15年IGBT器件从业经验，此次主题演讲，他为大家详细介绍了车规功率器件的技术进程、研发难点以及最新技术等。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。
除了功率半导体，比亚迪半导体产品生产线覆盖智能控制IC、光电半导体、智能传感器、晶圆制造及服务等方面。近年来，我国大力支持半导体产业发展，在家电、工业等领域已逐渐实现进口替代，在车规级半导体领域虽有突破，但仍处于弱势地位。比亚迪半导体功率半导体产品中心高级市场经理孙允帅表示，公司将继续秉承开放、合作、共赢的原则，持续为客户提供领先的车规级半导体整体解决方案，致力于成为高效、智能、集成的新型半导体供应商。
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