從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來看，新能源汽車已經(jīng)進(jìn)入了全面市場(chǎng)化拓展期，整個(gè)市場(chǎng)對(duì)于功率器件尤其是碳化硅（SiC）功率芯片的需求極為迫切。為此，各國(guó)政府、機(jī)構(gòu)相繼出臺(tái)了各項(xiàng)政策措施，引導(dǎo)和推動(dòng)SiC功率芯片產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。另一方面，英飛凌等國(guó)際頭部企業(yè)也紛紛擴(kuò)大產(chǎn)線，不斷增加擴(kuò)能。
盡管如此，從短期看，SiC功率芯片缺芯問題依然嚴(yán)峻，同時(shí)國(guó)內(nèi)電驅(qū)用SiC功率模塊主要采用國(guó)際芯片品牌，未來3年這類芯片缺芯壓力非常巨大；而國(guó)產(chǎn)SiC功率芯片目前主要是以車規(guī)級(jí)電源類應(yīng)用為主，因此在電驅(qū)領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用急需加快。
日前，中國(guó)一汽研發(fā)總院功率電子開發(fā)部部長(zhǎng)趙永強(qiáng)談了他對(duì)下一代車用碳化硅技術(shù)的看法。他認(rèn)為，碳化硅正在成為電驅(qū)系統(tǒng)提升比功率效率以及降低電驅(qū)系統(tǒng)重量的核心器件，國(guó)產(chǎn)碳化硅功率芯片要想真正實(shí)現(xiàn)國(guó)際領(lǐng)先，需要全產(chǎn)業(yè)鏈共同合作，在迭代試錯(cuò)中謀求發(fā)展。
電驅(qū)系統(tǒng)碳化硅首當(dāng)其沖
從功率器件產(chǎn)品技術(shù)路線來看，隨著用戶對(duì)更長(zhǎng)續(xù)航里程、更短充電時(shí)間以及更低里程成本的需求，功率系統(tǒng)正在向高集成、高效率、高可靠、耐高溫等方面發(fā)展，從而驅(qū)動(dòng)了功率器件在芯片設(shè)計(jì)、晶圓制備以及模塊封裝方面的持續(xù)變革，因此，大尺寸晶圓制備技術(shù)、高密度功率芯片技術(shù)，以及功率模塊封裝技術(shù)已成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)。
相比硅基半導(dǎo)體，碳化硅基半導(dǎo)體具有更小的尺寸、更低的損耗、更高的開關(guān)頻率、更高的耐溫能力。這些優(yōu)勢(shì)使其成為電驅(qū)系統(tǒng)提升比功率最高效率以及降低電驅(qū)系統(tǒng)重量的核心器件，也為解決電動(dòng)汽車高效節(jié)能、高功率密度、快充應(yīng)用及舒適靜音提供了良好的路徑。
目前，國(guó)外眾多車企包括BBA（奔馳、寶馬、奧迪）等通過應(yīng)用碳化硅技術(shù)在充電時(shí)間及續(xù)航里程方面取得了較好的成果；國(guó)內(nèi)的比亞迪、吉利、蔚小李等企業(yè)也通過應(yīng)用碳化硅技術(shù)取得了良好的效果。
傳統(tǒng)開發(fā)模式正被顛覆
當(dāng)前，采用碳化硅技術(shù)的電驅(qū)系統(tǒng)的峰值功率已逐步逼近300千瓦，最高轉(zhuǎn)速已超過2萬轉(zhuǎn)，重量逐步控制在90公斤以內(nèi)。在趙永強(qiáng)看來，在SiC開發(fā)過程中整車廠與半導(dǎo)體企業(yè)的關(guān)聯(lián)性越發(fā)緊密，雙方長(zhǎng)期維持的“間接接觸、訂單拉動(dòng)、串行開發(fā)”的開發(fā)模式已不適應(yīng)現(xiàn)在新能源汽車的開發(fā)需求。
具體表現(xiàn)在，半導(dǎo)體企業(yè)開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體產(chǎn)品要么無法滿足新能源整車廠首發(fā)首創(chuàng)的技術(shù)需求，要么定制品無法趕上新能源汽車24個(gè)月，甚至更短的開發(fā)周期。因此，整車廠日漸主導(dǎo)產(chǎn)品需求定義，構(gòu)建功率器件的設(shè)計(jì)和仿真能力，并以數(shù)字化手段準(zhǔn)確傳遞自己的設(shè)計(jì)需求，與半導(dǎo)體企業(yè)聯(lián)合開發(fā)工藝，解決規(guī)模化生產(chǎn)與應(yīng)用的問題，這已成為行業(yè)的首選開發(fā)模式。
還有少數(shù)半導(dǎo)體企業(yè)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)從芯片設(shè)計(jì)、工藝研發(fā)、模塊開發(fā)、模塊生產(chǎn)、系統(tǒng)開發(fā)的全鏈路掌控，以達(dá)到規(guī)模化低成本的應(yīng)用目標(biāo)，趙永強(qiáng)認(rèn)為，總體來講這種模式的成功比較難。
為什么先進(jìn)電驅(qū)系統(tǒng)需要碳化硅？
實(shí)際上，從整車應(yīng)用來看，先進(jìn)電驅(qū)需求是一種牽引，需要開發(fā)低雜感、低熱阻、高集成、高可靠的功率模塊，包括低損耗、高載流、高可靠、高智能的功率芯片。趙永強(qiáng)表示，先進(jìn)電驅(qū)系統(tǒng)對(duì)碳化硅技術(shù)的需求包括以下五個(gè)方面。
首先是圍繞高集成、高密度、低損耗、高耐溫設(shè)計(jì)原則的高功率密度功率模塊設(shè)計(jì)，依托數(shù)字化、虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境，在多芯片并聯(lián)均流技術(shù)（采用非線性優(yōu)化控制均流方法）、基于銅平面互連的功率模塊設(shè)計(jì)（寄生參數(shù)小、通流能力強(qiáng)、額外導(dǎo)熱路徑、設(shè)計(jì)自由度高），以及高可靠性設(shè)計(jì)（焊點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)、抗溫度沖擊設(shè)計(jì)、燒結(jié)納米銀設(shè)計(jì)）等方面有所突破。
在功率器件仿真方面，利用低載荷互連、高可靠連接技術(shù)，有效完成功率器件的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，通過搭建電熱力磁耦合的虛擬仿真平臺(tái)，追求最佳性能實(shí)現(xiàn)方案，從而有效驅(qū)動(dòng)功率模塊的結(jié)構(gòu)和工藝開發(fā)。
二是高功率密度逆變器設(shè)計(jì)，包括模塊化逆變器設(shè)計(jì)，通過400V和800V逆變器平臺(tái)化和功率器件定制化，實(shí)現(xiàn)逆變器體積功率密度的有效提升。電容小型化設(shè)計(jì)可以有效縮系統(tǒng)尺寸，提升散熱能力，解決碳化硅技術(shù)應(yīng)用帶來的電壓尖峰問題，改善大載流情況下整個(gè)系統(tǒng)的散熱能力。
三是通過控制板與驅(qū)動(dòng)板的一體化設(shè)計(jì)減少排線連接，在提升系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，通過集成對(duì)流傳感器、高壓備份電源來提升整個(gè)系統(tǒng)的集成度。具體包括：用NVH全域深度變頻優(yōu)化效率；結(jié)合可靠性與效率要求設(shè)定并優(yōu)化死區(qū)時(shí)間，減少諧波帶來的系統(tǒng)效率降低問題；優(yōu)化開關(guān)速率，實(shí)現(xiàn)逆變器全功率段最優(yōu)系統(tǒng)效率。
四是采用高速高頻化設(shè)計(jì)，包括基于碳化硅的高速電機(jī)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；采用高可靠的高頻開關(guān)和高效率的高頻驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)；同時(shí)通過搭建正向EMC仿真體系，利用結(jié)構(gòu)、電路、EMI濾波等多種手段提高系統(tǒng)的EMC性能。
五是高可靠性設(shè)計(jì)，針對(duì)高電壓尖峰所帶來的高壓電應(yīng)力疲勞損傷，以及多相間界面兼容可靠性等問題，采用電機(jī)絕緣設(shè)計(jì)以及高速、高壓、高頻軸承等技術(shù)。
下一代車用碳化硅技術(shù)思考
調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前30千瓦以下的功率模塊封裝主要使用碳化硅器件，180千瓦以下主要采用標(biāo)準(zhǔn)框架式灌封封裝技術(shù)，而180千瓦以上逐漸開始采用塑封工藝技術(shù)。
在趙永強(qiáng)看來，在功率模塊封裝結(jié)構(gòu)方面，圍繞低雜感、低熱阻的設(shè)計(jì)需求，封裝的形式正在從框架式到塑封半橋，再到分體式塑封全橋，進(jìn)而到一體化塑封全橋方向發(fā)展。
冷卻形式在從間接冷卻到直接冷卻方向發(fā)展，目前行業(yè)內(nèi)單面水冷和雙面水冷呈現(xiàn)技術(shù)路線并行，但是由于單面水冷沒有表現(xiàn)出更好的產(chǎn)品性能，對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有明顯的影響，因此，雙面直冷封裝目前是整個(gè)行業(yè)的主流趨勢(shì)。
從功率電子器件連接來看，最早是采用螺栓方式，后來是激光焊接，再到超聲焊接發(fā)展，而鍵合形式也從最原始的鋁線鍵合發(fā)展到銅線鍵合，以及最后的柔性無線鍵合方式。
從模塊封裝工藝看，圍繞高強(qiáng)度、高可靠、強(qiáng)散熱需求，密封工藝也從最早的硅凝膠灌封形式到環(huán)氧樹脂灌封，再到環(huán)氧樹脂塑封，芯片貼裝工藝也從早期的焊接式到現(xiàn)在的銀燒結(jié)工藝。同時(shí)，襯板材料正在從最早的氧化鋁DCB發(fā)展到現(xiàn)在的氮化硅AMB襯板。
再來看功率芯片的發(fā)展，碳化硅芯片結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)了平面柵與結(jié)構(gòu)柵結(jié)構(gòu)并行的趨勢(shì)，憑借其工藝簡(jiǎn)單、良率較高，平面柵型結(jié)構(gòu)目前是行業(yè)尤其是國(guó)內(nèi)工藝的首選。在芯片可靠性方面，行業(yè)圍繞高均勻外延制備技術(shù)、高可靠柵氧制備技術(shù)也進(jìn)行了集中攻關(guān)，產(chǎn)品的性能和可靠性不斷提升。
趙永強(qiáng)強(qiáng)調(diào)，如何圍繞整車廠的需求，將整車廠需要的功能、性能和可靠性需求轉(zhuǎn)化為芯片的靜態(tài)特性優(yōu)化、動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化、終端優(yōu)化以及集成優(yōu)化，已成為當(dāng)前制約碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。
此外，針對(duì)碳化硅功率模塊的測(cè)試技術(shù)，圍繞電驅(qū)系統(tǒng)應(yīng)用及失效模式分析需求，行業(yè)需要以AQG324標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，開發(fā)針對(duì)碳化硅的新的測(cè)試方法、新的測(cè)試設(shè)備和相應(yīng)測(cè)試技術(shù)，以推動(dòng)碳化硅功率模塊的有效認(rèn)證和驗(yàn)證，真正實(shí)現(xiàn)“功能定義半導(dǎo)體”。
整車、零部件、原材料全產(chǎn)業(yè)鏈合作
趙永強(qiáng)總結(jié)道，首先，碳化硅技術(shù)是新能源汽車電驅(qū)的主要驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)前電驅(qū)領(lǐng)域仍是硅基半導(dǎo)體和碳化硅基半導(dǎo)體并行，隨著碳化硅技術(shù)的不斷成熟，成本不斷降低，在高端純電動(dòng)汽車中碳化硅基半導(dǎo)體有望逐步取代硅基半導(dǎo)體。
第二，碳化硅仍處于汽車應(yīng)用的起步階段，當(dāng)前芯片技術(shù)、模塊技術(shù)、工藝材料、相應(yīng)的制備、芯片老化技術(shù)仍然有很大提升空間。
第三，半導(dǎo)體開發(fā)需要與整車需求深度結(jié)合，由整車廠主導(dǎo)產(chǎn)品定義，以數(shù)字化手段傳遞整車廠的設(shè)計(jì)需求，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，與半導(dǎo)體企業(yè)聯(lián)合開發(fā)工藝，解決規(guī)模化生產(chǎn)問題，從而實(shí)現(xiàn)首發(fā)首創(chuàng)的半導(dǎo)體產(chǎn)品和規(guī)模化應(yīng)用。
第四，碳化硅半導(dǎo)體的成本和良率仍然是制約大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。因此，不斷提升碳化硅功率器件生產(chǎn)制造的良品率，滿足車規(guī)級(jí)量產(chǎn)質(zhì)量要求尤為關(guān)鍵。
第五，車輛應(yīng)用碳化硅屬于系統(tǒng)工程，國(guó)產(chǎn)碳化硅功率芯片要想真正實(shí)現(xiàn)國(guó)際領(lǐng)先，需要整車、零部件、原材料生產(chǎn)企業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈共同合作，在迭代試錯(cuò)中不斷發(fā)展，從而有效支撐我國(guó)新能源汽車領(lǐng)先國(guó)際。
