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赛晶亚太半导体科技(浙江)有限公司技术总监兼市场总监马先奎指出，功率模块用到电动车上，它的 长期可靠性和电气性能 是大家都关注的问题。为了满足更高结温运行、长 寿命时间 运行，为了降低模块的杂散电感，满足碳化硅芯片的性能发挥，我们就需要采用一些新型的封装技术。一方面可以提升模块的功率循环寿命，另外也可以提升碳化硅的开关特性。 “首先我们希望能够把功率模块寿命提升，这也是满足模块乘用车市场长寿命的保证要求”马先奎对此也提出几点新的封装理念，比如采用铜键合线的技术、DTS技术、银烧结技术、采用树脂压注，以及去掉铜底板下面的大面积焊接层等。 马先奎还详细介绍了压注封装的HEEV模块。压注封装的HEEV模块具有杂感低、体积小等特点，能够使得SiC芯片的性能得到更充分的发挥。此外还介绍了EVD产品。EVD封装的产品可以让客户能够最大可能的借鉴既有Si产品的系统设计，同时可以有灵活的商务供应。据透露赛晶今年四季度会推出1200V EVD封装碳化硅产品。 以下是演讲实录。
马先奎：谢谢，我接下来的内容讲一下现在的热点，也就是碳化硅模块相关的产品。之前一个友商讲的是硅基产品。碳化硅产品是大家近来面对和关注的热点。市场信息我就不过多讲数字了，主办方对数字具有非常详细和权威的解读，下午会有更加详细的介绍。对于电动车来说，电动化时代一定会到来。我前几天和一个朋友聊，今年我是打算换一辆车的，我就问他，我说我现在想换车可能还会换燃油车。他是做技术的，他说如果去年问他，他和我的答案是一样的，但是现在他想法已经变了，他会毫不犹豫地选择电动车。电动车市场推广已经获得了非常广泛的影响。作为做技术的人，他都做了这样的转变，所以我对这个趋势更加毫无质疑。电动化一定是未来的趋势。 赛晶亚太半导体针对车规模块市场的需求，推出我们自己的特色产品。我从几个方面谈起：从应用需求到封装实现；为什么我们要推广碳化硅模块的产品；我们赛晶推出的碳化硅模块，包含HEEV产品，还有兼容市场主流封装的EVD产品。 我们拿到一个模块，首先关注的是模块的额定电压电流，这是毫无疑问的。另外，温度也是确定模块可靠运行的关键参数，同时考虑到损耗的影响。有一些资深工程师还会考虑到安全工作区的问题，保证模块如何安全运行。安全工作区包含模块本身的安全工作区，电压边界、电流边界。这个模块在系统里应用的时候，又是有系统的边界条件来约束器件的运行。因此，考虑安全工作区，我们作为使用者能够从系统的角度来综合考虑这个模块。模块的参数我们是在一定条件下定义的，而且是基于可控的条件。比如模块的额定电压就是芯片的耐压。当模块在系统当中用的驱动电阻不一样，也会影响模块的安全运行。同时不能简单地从系统的角度考虑，而是要从模块本身的规格定义去认识这个问题。除此之外，如果用硅器件，驱动电压大家都是共识的，典型15V和-10V。到了碳化硅应用，每个厂家用的芯片的驱动电压可能18V，或者现在趋向于兼容硅15V，负电压差别比较大一些。此外，更重要的是需要考虑模块的寿命。右边图是功率曲线示意图。对于一个模块产品，我们可以做很多的可靠性测试。有一些基于时长的验证，通过特定的测试条件和方法来确认芯片设计或者模块设计是满足要求的。对于模块功率循环寿命和热循环寿命，我们会通过测试得到寿命曲线，可以用来指导具体工况能不能满足使用寿命的要求。比如简单地说30万公里的寿命一定能满足吗？同样的车在东北地区、上海地区和在深圳地区运行的寿命也是不一样的。即使是工况都是相同的，每天跑几次，路上爬坡各方面运行的距离和工况都一样，但是模块表现出的寿命是不一样的。大家可以通过曲线来计算模块的实际应用中的寿命。 为什么模块会有寿命？对于模块来说，它有很多材料构成的。通常来说有芯片，芯片上面会有键合线，还有绝缘基片，以满足绝缘的要求。还有铜底板以及相应的散热处理，如导热硅脂等。最后，车上电驱应用，可能就是散热器怎么设计。由于本身材料的不同，热膨胀系数会不同，实际应用当中就会产生一些由热导致的机械应力。应力大的地方就更容易会产生疲劳，疲劳到了一定次数以后，寿命也就到了。业界对功率模块芯片连接相关的两个薄弱点，一个是键合线和芯片之间的连接，还有一个是芯片和陶瓷基板之间的焊接。一般是用功率循环寿命衡量这个参数的。另外铜底板和绝缘基片（DBC）之间的焊接，因为他们的热膨胀系数也差别比较大，而且陶瓷底板的焊接面积又特别大，边角区域应力大，也最容易产生热疲劳。一般用热循环寿命参数来衡量。
归结到汽车模块上我们会有哪些需求，也会有相应的针对性的探讨。首先我们买车的时候可能会探讨价格之外的东西，追求性价比，比如续航里程或者其他方面去折衷，然后大家达成共识，对认识产品性能的提升，这是正向的。除此之外还隐含着一个因素，模块的可靠性和寿命这方面。我们去买一辆车，厂家承诺30万公里10年或者多少年，说明车辆都是有寿命的。电动车会经过很多测试以保证它的研发设计可靠，包括计算寿命等工作，以保证我们买到的车都能满足我们的需求。针对车规级功率模块，我们希望能够满足长寿命，而且远比商用车寿命要长得多，里程也要长得多。另外我希望这个模块的损耗要低一些，效率高一些。还有满足电控多合一的需求，这就需要模块体积小，也是大家关注的。另外散热如果良好，可以有助于散热系统的设计，从而可以将整个电驱系统做得更加紧凑一些。 针对电动车用模块，我们可以将前面的需求结合到这个模块上。模块和外界接口有哪些呢？首先是一个端子。功率主端子怎么和外部连接？以前是通过螺钉连接，现在大家都开始采用激光焊接，把端子接触电阻要降低。端子发热，会将热传导到电容和芯片上。另外模块的底板，可以采用pin-fin结构，以降低热阻，这是和散热接口密切相关的。还有大家要追求更高的结温，比如温度从150度到175度，甚至更高，这就需要把现有的封装材料不断提升。以前芯片的焊接到现在的银烧结，可以把模块的工作结温提升，我们厂家也希望能够充分利用新技术达到更高的性能。在其他材料能够满足175度或者200度要求的情况下，如果采用传统的硅凝胶，运行结温可以从以前的150度提高到现在的175度。再提高结温，硅凝胶可能不能满足需求了，可以采用树脂灌封。 基于上面的问题，我们综合起来几点，提出来新的封装对模块的理念。首先我们希望能够把功率模块寿命提升，这也是满足模块乘用车市场长寿命的保证要求，我们会采用铜键合线的技术，以及DTS技术，银烧结技术，以提高模块寿命。另外采用树脂压注，提高热冲击能力，还有对环境的友好性，对有害气体的防护、湿度防御能力都能有所提升。。还有我们去掉了铜底板与AMB之间的焊接层，且采用绝缘性能更好的氮化硅材料，以降低模块的热阻。 接下来就是具体产品，HEEV，我们采用了碳化硅芯片，而且是业界主流的最新技术的碳化硅芯片，损耗降低，希望帮助客户提升电驱效率。这个模块首先我们是采氮碳化硅的陶瓷材料，希望能够把热阻降低，能够提高模块的可靠性。另外它和散热器密封来说，推荐使用O型圈密封。现在业界中有将模块直接焊接到水冷散热板上，不排除这是未来发展的趋势。这种技术革新需要有特定的测试手段来验证长期可靠性，以及抗震性。另外我们采用压注模封装，可以提高对环境友好性。此外，我们模块没有采用铜底板，去掉了铜底板大面积焊接层，模块功率循环寿命也能够得到比较大的提升。另外通过采用铜线键合技术能够保证模块高的功率循环寿命。还有安装方面，我们推荐用压板的安装方式，会比较简单可靠。除此之外这个模块我们采用了铝带wave的模式，让这个模块的热阻得到优化，可以采用直接水冷方式。对于这个模块的散热，水冷一般来说有两种模式，一种是串联的方式，另外一种是并联的方式。客户可以根据实际设计选择适合自己系统设计的。相应来说并联模式可能有它的好处，模块之间的热分布会比较均匀一些，水压降也低一些。对于具体参数相比，第一，热阻这方面，可以看到并联这种模式比串联模式热阻有比较大的降低。第二，水压降，并联模式也可以得到非常大的改善。对于水冷系统的长期可靠性会有所帮助。
这是我们器件的关键参数，体积比业界头部企业小一半。我们希望能够给客户提供功率密度更高的产品。关键参数这边有所罗列。这是我们实测的开通和关断的波形，还是比较平滑的。对于碳化硅产品来说，也是得益于我们模块的杂散电感得到非常大的改善，我们杂散电感只有4.5nH，因此开关波形平滑。这是动态开关方面的参数，可以给大家做一些参考，有助于用我们模块的时候可以有针对性地预估一些驱动参数去使用。除此之外同样的封装除了碳化硅之外我们还有一款硅IGBT产品，250A的产品，硅片也是我们自研的产品。 HEEV产品做一个小结，我们功率密度比友商得到比较大的提升。另外杂散电感得到有效降低，开关波形也更加平滑，对系统设计也更加友好一些。取消了铜底板大面积焊接层，对模块的功率循环寿命和热循环寿命会有明显地提升。 另外一个产品是EVD产品。对碳化硅来说，HEEV为了追求更好的性能，更加充分发挥SiC产品性能。对于兼容封装来说，可以更好地满足客户的应用习惯，继承更多应用经验。对于这款产品规划有两种，一种是硅，要到明年才会出来。今年四季度我们会推出一个1200V碳化硅的产品，能够减小杂散电感，减小端子的连接电阻，我们希望能够更好地提升这一产品的性能。
对今天的内容做一个总结。第一，功率模块用到电动车上，它的可靠性和长期电气性能是我们很关注的。为了满足更高的结温运行、长时间运行，为了降低模块的杂散电感，满足碳化硅芯片的性能发挥，我们就需要采用一些新型的封装技术。一方面可以提升模块的功率循环寿命，另外也可以提升碳化硅的开关特性。赛晶推出的HEEV封装产品由于具有非常小的杂散电感，更容易发挥碳化硅模块的性能，有助于我们开发出更高功率密度的电驱产品。另外我们今年也会推出我们的HPD产品，方便大家做选用。谢谢大家。 |
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