比亞迪半導體車規級IGBT技術長足進步！

芯師爺|Core master|

2022-03-10 11:36:25 9

行業新趨勢，中國核心動力！近日，由芯碩主辦的第三屆硬核中國芯片閱讀器峰會暨2021汽車芯片創新與應用論壇成功舉辦。比亞迪半導體有限公司（以下簡稱“比亞迪半導體”）功率半導體產品中心*市場經理孫云帥在線分享了《車用IGBT技術的最新發展》。
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistors）是汽車電氣化、控制電機、電控、電池等的核心技術元件，在汽車半導體中占非常高的比例。孫云帥在 IGBT 器件行業擁有 15 年經驗，本次主題演講詳細介紹了汽車功率器件的技術進步、研發難點和最新技術。

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比亞迪半導體功率半導體產品中心 *市場經理孫允帥（視頻來源：芯師爺）

功率器件是汽車電動化的關鍵技術

根據咨詢機構的調研報告，2019年全球新能源乘用車銷量為221萬輛，2020年銷量達到310萬輛，2021年銷量將為500萬輛，2025年預計將達到2000萬輛。聚焦我國，根據中國汽車工業協會的數據，2019年中國新能源汽車銷量為120萬輛，2021年銷量突破300萬輛。

按照《新能源汽車產業發展規劃(2021—2035年)》，在2025年新能源汽車銷量將達500萬輛，新能源汽車新車銷售量達到汽車新車銷售總量的20%左右。同時，該規劃指出要深化“三縱三橫”研發布局：“三縱”即純電動汽車、混合動力汽車以及氫燃料電池汽車；“三橫”為動力電池與管理系統、驅動電機與電力電子、網聯化與智能化技術。

需要指出的是，功率器件是汽車電動化的關鍵技術，主要用于主電控、DC-DC、車載充電器及充電樁以及用于汽車空調控制系統、PTC加熱控制器等的其他應用。在 IGBT 領域，根據 Omdia統計，以 2019 年 IGBT 模塊銷售額計算，比亞迪半導體在中國新能源乘用車電機驅動控制器用 IGBT 模塊全球廠商中排名第二，市場占有率 19%，在國內廠商中排名*，2020年在該領域保持全球廠商排名第二、國內廠商排名*的*地位。功率器件國產化尚存較大空間，除了應用于汽車市場之外，功率器件還廣泛用于工業、消費等領域。車規級功率器件發揮了控制直、交流電的轉換；決定驅動系統的扭矩（汽車加速能力）；決定最大輸出功率（汽車最高時速）等功能。以電機驅動為例，功率器件一方面決定了電機的輸出扭距，進而直接決定了汽車的加速能力；同時電機的最大輸出功率也由功率器件來決定，也就是汽車的最高行駛速度決定于功率器件。因此，車規級功率器件研發制造難度極高，其一是芯片技術工藝特殊復雜，另外封裝技術遠高于工業要求。

比亞迪半導體車規級IGBT的技術突破

比亞迪半導體以車規級半導體為核心，致力于打造集成化和協同化的應用平臺，以實現 更低的損耗、更高的集成度、更高的工作結溫（>200度）、更高的可靠性以及更低的成本。
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（圖源：比亞迪半導體）
具體而言，IGBT芯片需要 更薄的晶圓厚度 ，但要應對耐壓余量、高溫漏電、關斷軟度、短路耐量等挑戰。另一方面，IGBT芯片要實現 溝槽的精細化 ，需考慮不同性能指標之間的優化折中。

除了在傳統的硅材料方面做進一步的性能提升之外，比亞迪半導體也在積極布局第三代碳化硅（SiC）功率器件。以電控系統為例，在0-4500rpm區間，比亞迪半導體基于SiC器件做的電控系統整體效率比硅材料器件 效率提升5%-8% 。由于效率的提升，可以進一步造成電控系統的體積縮小，并且實現更低的損耗、更低的熱阻、更長的壽命以及更好的拓展性。
同時在封裝層面，比亞迪半導體實現了技術突破，通過把芯片直接焊接到上下兩面的散熱水冷上，實現雙面直接水冷。

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（電驅功率模塊技術的組成圖源：比亞迪半導體）

電驅功率模塊技術發展

正面互連
由于銅的熱導率、電導率都遠遠優于鋁線。比亞迪半導體新型的車規模塊都是采用銅鍵合的方式讓芯片正面與DBC鍵合，進一步提升芯片的導電性和導熱性能。
銀燒結

芯片傳統的焊接工藝一般使用錫焊，而錫的熔點的一般是230度左右，無法達到半導體材料超過200度的工作溫度要求。比亞迪半導體通過銀燒結工藝解決了這一難點，芯片工作溫度在200度以上時，也可以實現非常高的熱循環能力。

低溫Ag燒結：
低的熱導率：熱阻更低
厚度只有焊接層1/5：熱阻更低高達962℃的熔點：熱循環能力高，工作溫度高高成本

雙面散熱
比亞迪半導體雙面散熱技術具有幾方面的特點：很強的雙面散熱能力，熱阻降低30%以上；模塊可靠性更高；集成在片式溫度采樣和電流采樣；安裝工藝比較簡單，有利于實現高功率密度的電控系統。

（圖源：比亞迪半導體）

值得注意的是，在比亞迪暢銷車型“漢”應用的一款SiC模塊，采用Pin-fin直接水冷結構，輸出功率可達250KW。這款SiC MOSFET在比亞迪“漢”、“唐”四驅等旗艦車型上已大批使用，助力“漢”車型百公里加速達到3.9s，并降低了能耗，累計裝車量目前居于行業*地位，引領了行業發展。

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（圖源：比亞迪半導體）

寫在最后

據公開資料顯示，功率半導體方面，比亞迪半導體擁有從芯片設計、晶圓制造、模塊封裝與測試到系統級應用測試的全產業鏈 IDM 模式。在 IPM 領域，根據 Omdia最新統計，以 2019 年 IPM 模塊銷售額計算，比亞迪半導體在國內廠商中排名第三，2020 年IPM 模塊銷售額保持國內前三的*地位。在 SiC 器件領域，公司已實現 SiC模塊在新能源汽車高端車型電機驅動控制器中的規模化應用，也是全球首家、國內*實現 SiC 三相全橋模塊在電機驅動控制器中大批量裝車的功率半導體供應商。

除功率半導體外，比亞迪的半導體產品線還涵蓋智能控制IC、光電半導體、智能傳感器、晶圓制造和服務。近年來，日本積極支持半導體產業發展，在家電、工業等領域逐步實現進口替代。雖然在汽車級半導體領域有所突破，但仍處于弱勢。比亞迪半導體功率半導體產品中心*營銷經理孫云帥表示，公司繼續堅持開放、合作、共贏的原則，為客戶提供前沿的汽車級半導體解決方案，高效智能。新型集成半導體供應商。

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