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贺利氏电子张靖:电动化提速,功率半导体的材料工艺革命是关键一环

来源:爱集微

#贺利氏#

2021-11-26

集微网报道,电动汽车在全球范围内日益普及,但里程焦虑依旧是众多潜在买家的心病,这也成为纯电动汽车快速渗透普及的主要障碍。从增强电池能量密度到加快充电时间,车企及其产业链上下游为此绞尽脑汁。这其中,如何让电更有效的技术和材料成为解决问题的一大关键。

以碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体(宽禁带半导体)以其更强的能源利用优势逐渐进入新能源汽车应用场景,SiC功率器件被视作解决里程焦虑的一大利器。而汽车行业向纯电时代的转型正成为功率半导体革命的重要驱动力。研究机构Yole的一项关于SiC技术和市场分析中指出,汽车行业正在推动功率封装的发展。

但其中的挑战并不小。在贺利氏电子举办的第六届银烧结技术研讨会上,贺利氏电子中国区研发总监张靖博士接受集微网专访时指出,当前功率半导体行业正在经历一场由SiC和GaN等宽禁带半导体引领的技术革命,随着电力电子模块的功率密度、工作温度及其对可靠性的要求越来越高,当前的封装材料已经达到了应用极限,亟需新的封装材料和工艺。

贺利氏电子中国区研发总监张靖博士

电动汽车应用推动功率模块封装技术进步

随着新能源汽车高速发展,对于车用半导体材料的要求也越来越高,一直以来广泛使用的硅基材料在工作温度、电压阻断能力、正向导通压降、器件开关速度等各方面都几近物理极限,尤其在高频和高功率领域更显示出其局限性。为此,需要新的材料来替代。而以SiC为代表的第三代半导体材料具有宽禁带宽度,高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及更高的抗辐射能力,是高温、高频、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。

张靖博士指出,正是由于SiC在能量利用上的出色表现,令其在新能源汽车上优势明显,“它可以让电动汽车在同样的里程需求下,使用更少的电池。这一来节省了电池成本,同时还减轻汽车重量(电池本身很重)。因而SiC功率半导体技术成为当前电动汽车领域的热门技术。” 

但要用好这项技术,则面临封装材料技术上的新挑战。“SiC芯片对封装的要求非常高,它的工作温度更高,同时对散热和可靠性的要求也更加严苛,这些都需要相配套的封装材料同步跟进。”张靖指出。

不过这进一步推动了上游功率半导体技术的创新升级。Yole也认为,EV/HEV(纯电动汽车/混合动力汽车)应用不仅推动了市场规模的增长,还引领了技术的进步,功率模块封装技术就是其中的代表。

2016年,特斯拉在Model 3车型上采用意法半导体的24个SiC MOSFET模块,由此开启了SiC在汽车领域的商用,而其中还离不开一项关键的材料工艺技术——用于粘贴芯片的烧结银材料工艺。

“这可以说是一个颠覆性的材料。”张靖博士解释,以往用于芯片贴装的焊接材料在热导率和可靠性方面都有其瓶颈,能够承受的工作温度最多只能在150℃左右。而SiC芯片的工作温度可能会超过175℃。

事实上,这其中最大的挑战就是来自于SiC芯片的封装。传统功率模块中,芯片通过软钎焊接到基板上,连接界面一般为两相或三相合金系统,在温度变化过程中,连接界面通过形成金属化合物层使芯片、软钎焊料合金及基板之间形成互联。目前电子封装中常用的软钎焊料为含铅钎料或无铅钎料,其熔点基本在300℃以下,采用软钎焊工艺的功率模块结温一般低于150℃,应用于温度为175-200℃甚至200℃以上的情况时,其连接层性能会急剧退化,影响模块工作的可靠性。

“事实上,对于开始转向第三代半导体材料的功率半导体来说,要想实现实现高功率和高频率的芯片性能,则封装成为了实际上的性能瓶颈,而不是芯片。”张靖博士指出,相比之下,烧结材料可以承受的工作温度就高得多,通常可以达到200℃-300℃,这让烧结技术成为焊接工艺理想的替代方案。此外,芯片粘接是一个极其复杂的过程,采用烧结银技术进行芯片粘接,可大大降低总制造成本,加工后无需清洗,还可缩短芯片之间的距离。

碳化硅功率半导体将爆发,新材料机会几何?

“SiC等第三代半导体在未来3-5年内,在功率器件领域会迎来大的应用爆发。”张靖表示。

随着新能源汽车、5G通信、高端装备制造等产业蓬勃发展,汽车电子、消费电子、计算机和工业控制等领域对功率器件提出了越来越高的要求,比如功率器件要具有更长的寿命、更高的效率、更少的模块制造步骤和无铅监管。贺利氏作为一家领先的电子封装材料供应商和解决方案提供商,为电力电子应用,研发了强大的银烧结连接技术。其出色的热性能、工作温度和可靠性已在高功率应用和多年与客户密切合作中得到充分验证。

新能源汽车的蓬勃发展无疑将打开SiC功率器件的巨大应用市场。据不完全统计,目前全球已有超过 20家汽车厂商在车载充电系统中使用SiC功率器件。根据Yole的数据,SiC功率器件市场显然正在进入快速增长阶段,尤其是来自汽车应用的推动,2017~2023年期间的复合年增长率(CAGR)高达73%。

值得一提的是,为了改善里程焦虑,越来越多的电动汽车制造商开始但一些制造商及其零部件供应商正准备引入800伏的驱动系统。将电压提高,就可以用较低的电流提供同样多的电力,这意味着可以采用更轻的电缆,从而减轻车身重量,有助于增加续航里程。

比如,现代及其合作伙伴起亚这两家韩国汽车公司今年首次推出了自己的800伏车型。据起亚称,其于8月2日上市的EV6搭载77千瓦时的电池,只需18分钟便可将电量从10%充到80%。而目前大多数电动汽车会以较慢的速度充完最后20%的电以免损坏电池,因此这一步通常会在夜间使用标准充电桩完成。其他车企也在开发800伏车型,包括通用汽车、沃尔沃、比亚迪和Stellantis。

而在此之前,大多数电动汽车的工作电压为400伏,主要原因即在于缺乏能够承受更高电压的半导体。因为要构建万丈的800伏架构,就需要从电池包、电池到整个电子系统进行全面优化,其中很重要的一个零部件就是电机逆变器。400伏系统大部分还在采用硅基的IGBT,而800伏架构下,需要SiC、GaN等宽禁带材料,才能大大降低功率损耗,提高电动汽车的整体续航效率。

事实上,第一款800伏车型是保时捷于2019年推出的豪华跑车Taycan。当时保时捷称,使用快充桩为Taycan的93千瓦时大容量电池充电,只需5分钟多一点就能实现100公里的续航。但由于当时市面上还很少有可以与800伏高压配套的零部件,整个设计过程困难重重。

“未来SiC功率模块将是新能源车用电子的主流方案。”张靖博士指出,而相应的功率模块封装材料技术也将迎来一波增长机会。除了烧结银材料之外,还有实现更高热导率的覆铜陶瓷基板(AMB)也正被特斯拉、比亚迪等越来越多的车企采用。

据悉,贺利氏电子围绕第三代半导体开发出了很多出色的封装产品和解决方案,包括固晶材料(DA)、线材(WB)、金属陶瓷基板等等。值得一提的是,在改善芯片性能方面,贺利氏电子推出了独有的Die Top System(DTS)材料解决方案系统,通过材料的创新,充分优化电力电子模块的性能,能够将电力电子模块的使用寿命延长50多倍,并确保芯片的载流容量提高50%以上。

张靖博士透露,国内大部分想要尝试SiC技术的厂商都与贺利氏有一定的合作交流。在他所负责的贺利氏电子创新中心内(注:该中心成立于2018年10月,拥有一支近二十余人的研发团队,为客户提供一系列工程服务、定制极具竞争力的材料解决方案),目前正在进行中的项目大部分都是与SiC模块相关的技术研发。贺利氏在功率模块封装领域丰富的解决方案、服务组合及经验,将帮助客户缩短研发进程并提高产品首次成功率,最终将帮助客户赢得最大化的效益。

责编: Aki

Carrie

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作者简介

集微网IC频道副主编,关注人工智能、智能制造、智驾及AIoT产业链。

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