比亚迪吴海平：新能源汽车IGBT的技术进展
NE时代2019-09-04 10:27
从功率器件来说，主要是IGBT，我们首先需要有更低的损耗，提高驱动效率，降低温升，帮助减少芯片面积，提高晶圆尺寸，降低成本。集成度提升也包括芯片面积减少还有更高的结温和更高的可靠性。
本文为励展博览集团及NE时代于8月28-29日联合主办的 "第二届AWC2019新能源汽车关键元器件技术大会" 演讲嘉宾的现场实录。
演讲嘉宾：吴海平 比亚迪第六事业部IGBT芯片产品部高级研发经理
演讲主题：新能源汽车IGBT的技术进展
吴海平：各位嘉宾大家上午好，感谢NE时代组织的这场论坛，让我有机会和大家分享一下相关技术进展。
我是来自比亚迪微电子的吴海平，比亚迪微电子是比亚迪的全资子公司，比亚迪微电子产品包括新能源汽车的功率半导体器件以及消费类的微电子产品。
整个新能源汽车市场近几年在中国还有全球发展都非常快，基本每年都维持了50%的增长，中国在全球市场应该占了60%的市场份额。我们根据搜集的数据做了一个预估，估计到2025年之后，新能源汽车预计会占到30%的市场份额，按照这样的发展情况，后面对于功率器件需求会变得非常巨大。从去年开始，中国汽车市场开始下降，新能源汽车今年上半年仍维持了增长。但因为补贴政策的变化，导致接下来7月份的市场数据已经开始降低。国家在新能源汽车补贴方面，2019年有明显的变化，纯电动汽车和PHEV都降低了50%以上，预计到2020年，国家补贴就没有了，这样会对新能源汽车市场持续增长带来很大的挑战。
为了使新能源汽车市场增长达到预期，需要大幅降低整车成本。新能源汽车中，大量使用了功率半导体器件。从全新一代唐的电气结构图可以看到，从电池出来，通过功率器件将直流电转化成交流电，进行电机驱动。空调系统也要用到功率器件IGBT，车载充电器、DC/DC也会用到功率器件，同时在充电桩方面也有大量的应用，所以功率器件在新能源汽车里面占了很大的比重。网上有些数据讲在新能源汽车里面IGBT占的成本大概7%-10%，我的理解可能想说的是电控占了10%，IGBT占不了那么多。美国能源部给了2025年的规划，在这里面对新能源汽车电控成本以及功率密度做了规划，可以看到当前水平，100千瓦的电控成本在1000美金，希望到2025年降到2.7美金/千瓦，功率密度从现在18千瓦/升提高到100千瓦/升。除了电池以外，电控在整车里面占到第二位，功率模块主要使用IGBT。如果提高了2.7美金/千瓦目标，按照100千瓦电控分解的话，希望在2025年，功率器件做到59美金。对于主机厂来说这是一个很好的期望，他们应该是想通过这种方式倒逼零部件供应商做出提升，但是对零部件供应商来说挑战还是蛮大的，如果想完成这个目标，帮助新能源汽车实现市场目标，对我们来说需要做很多事情。
首先从功率器件来说，主要是IGBT，我们首先需要有更低的损耗，提高驱动效率，降低温升，帮助减少芯片面积，提高晶圆尺寸，降低成本。集成度提升也包括芯片面积减少还有更高的结温和更高的可靠性。围绕这些要求我们看一下芯片技术是怎样的。
这是欧洲一家比较有名的IGBT供应商，他们在电动汽车主要使用的是这几种芯片技术。在目前电动汽车上，国内大部分公司在300多V的平台，他们使用的电压主要是650V的IGBT，使用的是这家公司IGBT 3的技术。商用车，还有比亚迪乘用车都是在500V以上的电压，这家公司推出的是IGBT 4的技术1200V IGBT。2017年，这家公司进一步推出了750V的技术，叫EDT2。IGBT3和IGBT4相比，IGBT4在同样电压下厚度更薄一些。750V的EDT2技术和650V的IGBT3相比，电流密度做了提升，大概提升了10%以上。最终在模块中不止提升10%，在芯片定义的时候是提升了10%。饱和电压从原来1.55V降低到1.15V，有非常大的提升，对于整车的能耗有非常大的贡献。我们再关注到另外一个参数—短路耐量，这个参数如果不好的话当发生上下桥直通时IGBT会容易烧毁，所以IGBT都会有短路耐受时间的要求。对比几种IGBT技术，发现该公司有减少短路耐受时间的趋势。通过在系统上做更好的保护，减少对短路耐量的需求，保证损耗的参数能够降得更低，使整车效率能够提升，这是芯片发展的思路。比亚迪在去年推出IGBT4.0技术，当时对标的是竞争对手IGBT4，综合损耗还要略低20%。
在电动汽车IGBT上另一个供应商是日本，日系IGBT厂家IGBT的技术路线不太一样。日系IGBT主要也是做沟槽FS技术，接下来做的主要是往RC-IGBT方向走。IGBT在工作的时候需要有一个二极管进行续流，每个IGBT都匹配一个快恢复二极管。日系的趋势就是把IGBT和二极管集成在一起，就是RC-IGBT，这种技术在很早的时候欧洲已经开始做了，在电磁炉上使用。但是这种IGBT最大的难度在于FRD性能很难优化。IGBT和FRD集成在一起，两个东西要求刚好相反。在家电上使用时，对二极管要求不高，集成一个比较弱的快恢复二极管没有问题。近两年在小功率IPM上也有使用这种技术，对于大功率应用可以说日本是走在了前列。我得到的数据是在2016年日本已经投放在出租汽车市场，装了几千辆车，经过几年运行，他们认为这种技术在大功率应用上已经成熟，所以现在也开始在个人乘用车市场推广这种技术。
把IGBT和FRD集成在一起，其好处就是在关断时，IGBT中的电子能够很快通过背面抽取出来，关断速度比较快，有更优VCEsat和Eoff折衷性能，折衷曲线离原点更近，从而整体功耗更小。第二，把两个芯片集成在一起后，单芯片面积比原来单个IGBT和单个二极管都要大，每次工作要么是IGBT工作要么是二极管工作，这样一来，对IGBT也好、对二极管也好，其热阻也有明显降低。因此性能更好，热阻更低，面积也比两个加一起减少了，控制器模块也就可以做得就更小。缺点就是设计工艺比较复杂，二极管性能很难优化，虽然集成一起，但不是一个最佳的状态。
另外一种技术趋势，就是功能集成化。我们功率器件包括IGBT在使用的时候，需要做过温保护。目前过温保护大部分都使用的是模块里面集成的热敏电阻，通过这个热敏电阻检测芯片是否过温。但热敏电阻离芯片有一定距离，不能实时反应芯片实际温度。而且，热敏电阻还有一定的热容，和芯片之间的结温有很大的差异。在一些功率模块上，热敏电阻的温度和芯片结温存在高达60℃的温差，好一点的有30℃的温差。如果保护芯片在150度以下，NTC到了80度就要保护了，导致要留很大的余量，所以，对于芯片保护来说有一个趋势就是把温度检测直接放在芯片上。这里做了一个温度传感器，放在芯片的中间。实际上原理就是利用二极管VF随着温度的线性变化，只需要检测二极管的VF之后就可以很清楚地知道芯片当时的温度是多少，非常及时和准确，这是一种方向。另外，对于短路保护，是通过检测IGBT的VCEsat。为了避免误保护，需要一定的延时，一般在几微秒。所以芯片需要几微秒的短路耐量。在这种IGBT里面，如果引入具有电流检测的单元，实际上就是和原来主IGBT并联一个更小的IGBT，他的电流和主IGBT电流有一个分比，再串联一个电阻，通过监控电阻上的电压，就能很及时精确知道IGBT的电流是多少，因此可以抛开短路保护直接做一个过流保护。比如正常IGBT工作在300A，可以把保护点设在500A来及时保护，保护比较快，减少对芯片短路耐量的依赖，进一步降低VCEsat，这一点在日系IGBT做得很明显，欧美IGBT会直接给一个短路耐受时间，日系IGBT很多看不到给这个参数，或者不叫短路能量，而是给出短路能量。
刚才讲的是芯片的技术发展。为了持续降低成本，另一方面就是晶圆的尺寸。功率器件对晶圆尺寸依赖不是很大，因为芯片内的线条尺寸都比较大。但近年来新的概念就是刚才说的EDT2 IGBT，开始把尺寸做得更小，需要更好的产线。另外，更大的晶圆有利于提高生产效率。早期都是6寸，现在8寸是主流。这样会带来芯片成本持续的降低。
接下来看一下模块技术，芯片都要封装成模块才能在车里面使用。模块的基本结构是最上面是一个芯片，芯片通过焊料焊接到陶瓷覆铜板，然后将陶瓷覆铜板焊接到铜底板，使用时安装到散热器。功率模块的技术涉及到焊接、散热基材和模块结构。芯片正面的引线在工业模块基本都是采用的铝线或者铝带，现在在汽车模块上也慢慢出现了铜线或者焊接方式的引出。焊接早期是普通的SnAg焊料，现在采用的是更先进的焊料如SnSb，或者低温Ag烧结或者铜烧结的方式。散热基材使用的是增韧氧化铝DBC，底板大部分是铜底板。模块结构从平面底板散热发展成带针翅结构的直接水冷结构，再往后就是双面散热结构。
这是正面引线的示意图，这是最常见的用铝线连出来的，无论在汽车模块还是工业模块里面都是最常见的。铝带就是更宽一点。为了更好提高可靠性和散热效率，铜线工艺被引入，需要在芯片正面淀积铜。更进一步在正面用铜带或者铜片焊接出来。更一步，正面用铜块焊出来，做出双面散热形式。这是正面引线的技术变化。
再看一下焊接工艺。刚才提到，IGBT模块大部分使用的还是SnAg焊料，如果铜+氧化铝的结构，普通SnAg焊料经过2000次温度循环，可以看到黑色的地方还是完好的，白色的地方已经分层了，出现了很大的分层，但是SnSb焊料焊接界面完好。低温Ag烧结采用的是纳米银颗粒代替焊料，在烧结过程中需要加很高的压力，大概10兆帕，，温度只需要200多℃，纳米银颗粒就把金属层连接起来了。银的热导率非常低，厚度可以做得很薄。一般焊层100个微米，Ag烧结层20个微米，因此热阻很低。银的熔点达到962℃，热循环能力高，工作温度高。银烧结最大缺点就是成本太高。经过功率循环，上面两根线是普通焊接之后热阻的变化，下面是Ag烧结的变化，经过4万次循环之后，Ag烧结热阻没有任何变化，说明焊接层没有任何退化。
Ag烧结已经开始在功率模块上使用了，但是还广泛。在特斯拉的Model3上，功率模块使用的就是Ag烧结技术。但Ag烧结也有缺点，有人提出低温铜烧结，原理是一样的，也是用纳米铜颗粒，加压力后去烧结。铜和银相比，抗电迁移能力更好，铜熔点更高，因此有更好热循环能力，而且便宜。如果提高到250℃做工艺循环，经过1000次循环以后，铜烧结没有任何变化，但是银烧结还是出现了一些裂缝，也就是说铜烧结比银烧结有更好的扛温度循环能力。铜烧结将来有可能是一个趋势，但是目前为止还是在实验室阶段。缺点就是在烧结的时候容易氧化，对烧结工艺要求这块还是在不断的摸索过程中。
接下来看一下基材，在功率模块里面，大家常使用的包括陶瓷、底板，各种材料比如氧化铝、氮化硅、铜等等，不同搭配的时候会对IGBT模块寿命产生很大的影响。比如工业上常见的铜底板加氧化铝DBC，经过600次温度循环就退化得很厉害，如果用增韧氧化铝DBC 1000次循环只有很轻微的退化。所以汽车如果要用氧化铝DBC上一定要用增韧的氧化铝。
再介绍一下比亚迪电驱功率模块技术路线。我们在最早推出第一代车用模块，采用的是平板结构，这个结构是一个半桥，体积比较大，热阻比较大。接下来推出直接水冷模块，底板可以直接装到散热器上，热阻降低非常明显，功率密度提升也是很明显的。在去年，最新双面散热模块也推出了，这个模块是两面都可以散热。下一代的碳化硅双面水冷模块正在开发中。
平面间接水冷模块结构和刚才的图差不多的，只不过上面加一个盖板。其优点就是供应商众多，价格便宜，在商用车大家都喜欢用这种。但是寿命相对来说差一些。使用时需要要涂覆导热硅脂。这是其中一些关键的技术，比如焊接要求、对绑线功率要求等。
直接水冷模块，比亚迪有相应的一系列产品，如215、315和415系列。315系列是装车最多的功率模块，在秦、唐、宋上大量使用。415主要是在大巴和商用车、卡车使用。215针对A0级和A00级的小车，这种模块底部不再做成平面，而是做成针刺状的，散热效率很高，热阻降低40%，整个功率密度可以再作提升，体积可以做得更小，寿命更长。比亚迪全系列215、315、415都采用铝碳化硅底板。
双面散热IGBT模块，正面通过焊接方式，正面背面都有陶瓷覆铜板，可以进一步降低热阻。从目前看到的数据，和直接水冷比，热阻可以再降低30%以上，可靠性更高。这样可以把功率密度很轻松做到20千瓦/升以上。在这种模块里，进一步集成温度采样和电流采样，系统设计变得更加方便。这种模块最早期是丰田在雷克萨斯车辆使用的。最近很多车都使用了这种概念，这是德尔福的电驱，可以看到里面使用的都是双面散热模块，只不过用的是比较小的模块。这是早期的雷克萨斯上用的。双面模块用起来比较麻烦，因为散热器要夹起来，这样对控制器的组装带来很大的挑战，所以有另外一个折中的方案，芯片正面不用引线，用铜片焊出来，正面不需要加散热器，也能很好提高散热效果。日立也推出一个双面散热模块，而且在双面散热基础上增加了针翅结构，这个针翅结构可以安装到散热器上。
前面主要讲的是IGBT模块，SiC也是绕不过去的话题。前面有嘉宾也有讲到碳化硅要逐步用起来甚至替换IGBT。碳化硅优点不再讲了，能够提高效率，减少控制器体积。问题就是成本高，目前主要在长续航电动车开始应用。技术瓶颈里面最明显的比如短路耐量小、易干扰、VTH低，这都需要在芯片端解决。另外就是芯片正面引线，因为芯片面积小用普通芯片绑线工艺很难满足提升功率密度的要求。另外芯片面积减小以后，热阻会升高，这样对于散热设计要求较高。包括想提高工作温度，现有的焊料也不能满足要求。
这是国际上关于正面引线工艺改进方案，在正面芯片结构上用烧结方式覆盖了一层铜，然后再打铜绑线，其功率循环结果很不错。另外一个方案是在正面通过Ag烧结焊接一个银片。在特斯拉model3中率先使用碳化硅模块，芯片地面是Ag烧结，正面是铜片焊接出来。这是另外一家公司研发的碳化硅模块，提出一种DBB技术，模块是半桥结构，规格约是1200V，2.8毫欧。
比亚迪今年底将推出自己的碳化硅车用模块，是具有Pin-fin的直接水冷结构，三相全桥，1200V/3.3 毫欧，结构紧凑，仅一个手掌大小，希望今年推出量产。
今天我的报告就到这里，谢谢大家。
新 能 源 汽 车 产 业 第 一 情 报 局
前瞻技术 |企业战略 |市场研究|热点资讯|政策解读
作者：NE时代 微信公众号：NE时代
举报/反馈
0
0
收藏
分享
