中车时代刘国友：汽车IGBT芯片及其封装技术发展

株洲中车时代电气股份有限公司副总师 刘国友

各位专家上午好！我来自株洲中车时代，可能很多不清楚中车还做半导体。今天想汇报我们的封装技术解决方案。主要是四个方面，IGBT是新能源汽车的核心了，电机包括电池国产化的速度还是比较快的，但是IGBT芯片这一块面临的挑战还比较大。IGBT在电动汽车中的应用工况非常复杂，高温高湿高振动对IGBT是一个比较大的考验，装配体积包括成本的要求都非常地严格，同时寿命要求也比较高。并不是说IGBT都是汽车级的IGBT，它的要求要比普通工业的要求高很多了。IGBT技术创新对性能的提升很重要，低损耗、宽安全工作区的要求，对整个结构实际上也是非常好的机会。对FRD的震荡大，是很多IGBT模块里面共有的一个特性，如何降低这个震荡是一个非常大的挑战，同时在封装的时候如何解决低热阻、高散热这一块也是一个挑战。功能的集成除了我们常说的温度跟低热传感器的芯片设计有关，还包括本身的功能集成。

下面汇报一下中车在汽车IGBT芯片的封装技术方面做的工作。我们目前是第二代汽车IGBT芯片了，第一代的汽车IGBT也是我们目前实现12.um的Mesa结构。我们去年研发出了下沉发射沟槽IGBT，它的好处是可以进一步提升折衷特性。最右边是常用的技术，我们可以极大地降低损耗，这个损耗主要通过调节载流子路径可以实现。我们实际上把电厂建立了均衡的控制，载流子就不会形成拥挤的状态，整个损耗可以很大幅度地降低，这种技术可以实现11倍额定电流下的关断，同时短路电流失效为热失效，同时，进一步地降低了关断开通的损耗，可以进一步降低它的开通损耗和关热损耗，降低20%，这样更容易实现开通特性。在FRD这一块，我们采用了一种新的技术，是PIC的结构，对反向恢复过程进行控制。整个无震荡质子注入，具有高鲁棒性、低反向恢复能量、无震荡。在封装技术这一块，在高效散热，主要通过材料的选择有效降低整个模块的热阻，同时我们采用一些新型的封装结构，尽可能减少散热的层级，有利于散热，它的热阻可以得到大大地降低；同时，采用一些新的冷却方式，像Pin-Fin，一种是针翅结构，一种是片翅结构，可以采用双面冷却的技术，进一步降低IGBT模块的热阻。结构的集成这一块主要根据客户定制化需求，建立高功率密度的集成，这样更加可靠，成本也可以大大地降低，这是我们已经开发完了的汽车IGBT的组件（PPT）。可靠性这一块，我们研发了铜工艺互连技术，具有优良的电导率和热导率，超过6倍的功率循环能力。实际上，金属超声键合的方式，获得比较低的接触热阻，同时提高大电流的承载能力。芯片焊接这一块目前普遍采用的是低温银烧结技术，有超高的熔点，优良的热导率，具有较好的热功率循环能力。

通过这些技术，我们已经开发出了IGBT的一些产品，目前是三个产品。第一个是标准封装技术，第二个是针翅型标准封装，第三个是紧凑型平面封装。基于这三个平台，对整个产品进行了细化地分类，以满足不同应用工况的汽车IGBT模块。M1的这款模块目前已经在我们一线的电动大巴上面进行了大量的应用。我们有很明显的优势，这也是整个IGBT芯片在控制这一块的特点。我们的750V在损耗这一块，是有一些优势的。L1模块是双面冷却双面焊接的，我们非常看好这个产品。客户对我们这个产品比较感兴趣，这款产品整个损耗比较小，包括开发损耗，包括它有很低的热阻。我们开发了高密度的集成IPU，具有高功率密度、高可靠性、低成本，整个功率密度可以达到27.3。

汽车IGBT技术发展趋势，一方面基于我们开发的技术，我们进一步通过降低它的性能宽度，节约了制造损耗，在协调方面比现有的产品提高很大的一个比例。同时，我们也在研发逆导型的IGBT，这样进一步提高它的整个密度。超结IGBT也有很广泛的应用，这样子（PPT），进一步降低整个IGBT芯片的损耗。在功能集成这一块，主要是把温度传感器和电流传感器功能的集成，我们可以实现对整个芯片级的管理，同时我们也更加紧凑地集成水冷流道的散热结构。铜工艺这一块，改进整个IGBT的金属化，铜线键合。在汽车这一块我们已经开发了IGBT模块，芯片是有铜金属化的人来做的，同时端子也是超声键合的。烧结技术是铜烧结技术，也是一种低温的工艺。在底板散热这一块也是一体化的，我们也开发了GaN、SiC器件。我们承担了科技部的国家重点项目，我们在这一块也在做一些工作。

最后做一个小结，实际上作为中车，我们不仅希望我们能在高铁、电网这一块能更新我们的工业，我们也希望能为国家新能源汽车的发展有所作为。谢谢大家！