上篇整理完,接下来主要整理下篇,这些企业主要包括真正做功率半导体SiC的企业,整个细节会多一些。

 

1. 英飞凌科技(中国)有限公司大中华区汽车电子事业部高级市场经理 高金萍

 

 

碳化硅应用聚焦在汽车上,不同的应用场景它会有不同的电压功率的诉求。

 

●硅基的器件无论在功率也好、电压也好,覆盖面是最广的,技术成熟度、商业成熟度,性价比是比较高,在长时间还会占据一个比较主流的位置。

 

●碳化硅相对比较高的抗压频率,中高压功率也比较大一些。

 

●氮化镓适用的是低压、超高频的应用场景,比如5G的基站、4C电源上非常好的场景(笔记本的充电插头)。

 

汽车是一个空间比较受限(比较小),相对温度散热比较难处理,又高温、高湿、高热量这些场景,对电子就会带来高功率密度、耐高温。在OBC和DC/DC,从3.3-6.6kW往11kW、22kW的双向切换,碳化硅是可以让整个无源器件(电感电容、变压器)的体积减小,减小整个系统热的损耗,整个系统的成本综合降得比较低。在主驱上大家核心的痛点就是在于续航里程、更高的功率密度,碳化硅可以解决当下的电池成本也是相当高的,采用碳化硅能够提高续航里程。

 

整个功率半导体的复合增长率应该在28%左右,现在看整个新能源的势头比我们想象得可能更快一些。碳化硅的复合增长率相对来讲更高一些,预测到2025年碳化硅的占比大概会超过32%,国内的碳化硅步伐可能走得更快一些。主驱应用核心关注点,第一长续航里程,第二更高功率密度,更小的体积,第三综合的性价比。混动会聚焦在IGBT上,整个功率密度和成本要求会更高一些。对于装配电池量比较高的,尤其超过70-80度电的高端电动车来讲,通常在长期工作的主轴上采用碳化硅,不通常用的辅驱轴上还是会采用IGBT。

 

碳化硅核心的两个优势:

 

●开关损耗:尤其在800V上,碳化硅有更快的开关速度以及反向恢复的这些特性等等,开关损耗是远远好于IGBT的。

 

●导通损耗:碳化硅并不是在每个领域或者每个电流的点下都是优于IGBT的。IGBT跟碳化硅在损耗上会有一个拐点,400V典型的工况,大概95%的时间上小于100A电流的需求。超过300A是75%的额定电流情况下大概只有1%,碳化硅的导通损耗的优势就非常明显。

 

英飞凌的双面水冷IGBT以及双面水冷的碳化硅,基于碳化硅的技术,在整个工况下可以达到75%的导通损耗降低,大概大于60%的开关损耗降低,整个损耗会降低60%以上。针对400V以及800V的系统做了WLTP工况下的一些仿真分析, 400V的系统下大概采用碳化硅的产品可以让续航里程提升大概4%-5%。

 

750V的IGBT本身基础底子比较好。

 

1200V的系统, IGBT本身在高压下没有750V那么好,基线会往后拉一些,800V看起来更可观一些。

 

750V的碳化硅还是有必要的,随着碳化硅产业链越来越成熟,商业成熟度越来越高后,750V会带来更好的续航里程(电池成本的综合降低),当然这取决于整个产业的电池成本,也取决于碳化硅的成熟度。

 

英飞凌做碳化硅已经接近三十年甚至超过三十年了,从最早期工业领域到汽车领域的逐渐渗透。我们是在2019年开始进行了车规级碳化硅产品的成熟量产,目前已经采用到了比较多的车企OBC、DC/DC和碳化硅模块,目前在现代起亚的800V平台上已经开始成熟地跑量。整个行业其实已经没有太多的争议了,基本上国际的大厂已经全部宣布在2023年或者2024年以后全面进入,英飞凌从第一代开始量产的产品就是Trench的技术。在第一代的IGBT 750V做了替代,把碳化硅的芯片放进去,芯片技术验证完后,再做下一代产品的更新。预计在2023年全面面向的第二代碳化硅模块。

 

传统功率模块会采用磁环或者三合一的电流传感器,为了解决更好的功率密度的问题,可选配跟第三方合作的电流传感器的模块,可以极大的提升我们的功率密度,在空间上节省8%的体积。采用无磁的技术,整个全生命范围精度非常高,整个可压可焊,可以进行一体化集成,整个安装是比较好用的。

 

双面水冷的模块,下表面采用比较高的氮化铝的基板,有比较好的散热。在上表面也采用了铜块的技术,可让上表面处理大约40%的散热处理。碳化硅产品因为晶圆的面积,怎么把碳化硅热散出去很重要,表面的散热也是非常重要的。

 

杂散电感,功率电子在一端,信号电子在一端,方便安装和集成,这样不适用于碳化硅的产品上。下一代的双面水冷碳化硅模块它会采用DC端三端子的结构,进一步地去降低系统的损耗。跟相同的单面模块来比,整个散热的优势大概提升40%左右。

 

2. 丹佛斯硅动力大客户经理 练俊

 

DCM模块起来已经量产了,搭载的是750V的碳化硅芯片,DCM1000X会在今年年底量产(1200V的碳化硅芯片),未来规划DCM500,六合一的封装形式,体积会更小。

 

●DCM1000X模块能承受的耐压从原来DCM1000的900V提高到了1200V,能够达到的最大电流都可以达到800A。

●采用了直接水冷的技术,1000其实是代表它内部所覆盖的可用半导体芯片的面积。

●模块平台最重要的特点是芯片的独立性,可以允许客户来选择想使用的芯片,为了满足客户对性能、成本以及工艺安全的考虑。

●模块的电流输出能力可以根据所选芯片的性能以及数量进行配置,模块内部的电气优化可以根据所选的模块进行配置。

●模块的连接方式也是可以定制的(提供DBB技术=将传统的焊锡焊接用铜绑定来代替),可显著提高模块的功率循环能力。

●模块的散热性能,根据模块的电流等级以及散热要求提供不同性能的陶瓷基板。

●丹佛斯提供一个直冷技术,水道数量以及形状都是可以定制的(材料),客户在热阻和水阻之间达到一个平衡。

 

碳化硅芯片是非常贵的,模块贵不是做模块的把钱赚的(赚的都是血汗钱),钱大部分都让做芯片的赚去了。

 

丹佛斯提供的一个差异化的封装解决方案,包括了丹佛斯的DBB专利技术,同时还有一个消泡的水冷技术,这些技术可以快速提高模块的散热能力以及实现较高的功率密度和机械可靠性。芯片的结温可能会进一步提高到250度,客户实际应用中的冷却温度大概是在65度,芯片的结温有可能是超过130K的温度波动。DBB通过银烧结的技术,把熔点从普通焊锡的220度提高到银烧结的960度,DBB是未来碳化硅应用最佳的一个搭档。

 

3. 忱芯科技(上海)有限公司总经理 毛赛君

 

碳化硅功率模块的动态特性,实现高精准的测试,这里不摘录了。

 

4. 安森美电源方案部电驱功率模块产品线经理 陆涛

 

碳化硅逆变器主要是集中在150-160千瓦这个等级,往下基本是在IGBT。2023年、2024年推出来的汽车,基本上后驱目前都是碳化硅,前驱可能还是由IGBT为主。120千瓦或者还是IGBT,基本上160以下到250都会切换到碳化硅上面,目前在400V碳化硅也能带来5%以上效率上的提升。

 

安森美是目前全球为数不多的几家公司能从衬底一直到模块、到系统,大概有三四家公司能够提供这个能力。从成本上来说,6寸继续朝8寸去推广。在2024年左右,应该能够进入到8寸。M1、M2、M3,整个发展是为了增加Solid的密度,还有未来正在开发的一些模块。

 

 

5. 株洲中车时代半导体有限公司研发中心副主任 任亚东

 

高压模块的功率密度,怎么从芯片层面上把损耗这块做到最优的选择,器件这块相当于要去不断地降低损耗。碳化硅材料的特性,可靠性来讲,对最大功率密度要求,现在往沟槽方向发展这个趋势。

 

碳化硅要工作在175度结温甚至更高温度的封装挑战。从所有的材料体系都必须满足更高结温这块带来的挑战,65度水温的话,器件将来要工作在175-200度,带来整个功率循环会变大很多,相当于要变大20度、30度甚至更多,对整个寿命带来了比较大的挑战。

 

像高温绝缘材料这块,像硅胶工作在175度甚至更高结温情况下面,在长期的情况下面这种老化的退化,包括它的变质、变色,已经不太适合向更高的温度下面去做一些研究,要么要开发出更高耐受的绝缘性材料,要么采用一些封装上面的方案来解决这块更高的绝缘材料带来的挑战。碳化硅这个材料硬度比较硬的,只把芯片硅换成碳化硅,寿命基本上就下降了接近一半左右了。

 

寿命短板向无铝线的键合线体系,相当于提高提升我们的循环寿命,这个影响芯片连接、散热这块,这块采用一些直接端子互联,可把整个功率循环能力在传统工艺上面基本上提高到4到5倍。

 

小结:

 

有些内容比较细,我尽量摘录了一些重要的观点。后续有机会我会再分享一下有关Si、SiC和GAN的一些看法。