中國車用碳化硅功率模塊的成長之路

在全球汽車電動(dòng)化的浪潮下，汽車半導(dǎo)體領(lǐng)域的功率電子器件作為汽車電動(dòng)化的核心部件，成為了車企和電機(jī)控制器Tire 1企業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。車用功率模塊已從硅基IGBT為主的時(shí)代，開始逐步進(jìn)入以碳化硅MOSFET為核心的發(fā)展階段。

為什么說碳化硅是車用功率模塊的未來?

碳化硅的禁帶寬度約為硅基材料的3倍，臨界擊穿場強(qiáng)約為硅基材料的10倍，熱導(dǎo)率約是硅基材料的3倍，電子飽和漂移速率約是硅基材料的2倍。碳化硅材料的耐高壓、耐高溫、高頻特性相較于硅基器件能應(yīng)用于更嚴(yán)苛的工況，可顯著提高效率和功率密度，降低應(yīng)用端的成本、體積和重量。

圖1 各類半導(dǎo)體材料性能對(duì)比

根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2021-2027年，全球碳化硅功率器件市場規(guī)模將由10.9億美元增長到62.97億美元，年復(fù)合增長率為34%；其中電動(dòng)車用碳化硅市場規(guī)模將由6.85億美元增長到49.86億美元，年復(fù)合增長率更是高達(dá)39.2%，而電動(dòng)車（逆變器+OBC+DC/DC轉(zhuǎn)換器）是碳化硅最大的下游應(yīng)用，占比將由62.8%增長到79.2%，市場份額持續(xù)攀升。

圖2.Yole的市場分析

碳化硅在汽車行業(yè)的應(yīng)用趨勢(shì)

電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展至今，行業(yè)最關(guān)心的是續(xù)航里程。影響續(xù)航里程的因素有很多，包括電池容量、車身重量、電力系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)化效率等。功率半導(dǎo)體是電能轉(zhuǎn)換的核心，碳化硅功率器件比硅基器件有低導(dǎo)通損耗、高開關(guān)頻率和高工作耐壓等優(yōu)勢(shì)，能獲得更高的系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換效率，且在使得同等電量情況下，比使用硅基功率器件獲得更多的續(xù)航里程。因此電動(dòng)汽車對(duì)于碳化硅功率器件的應(yīng)用需求日益凸顯。

在電動(dòng)汽車中，碳化硅功率器件的應(yīng)用主要為兩個(gè)方向，一個(gè)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器（電機(jī)控制器），另一個(gè)用于車載電源系統(tǒng)，主要包括：電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載DC/DC）、車載充電系統(tǒng)（OBC）、車載空調(diào)系統(tǒng)（PTC和空壓機(jī)）等方面。

圖3.電動(dòng)汽車中需要使用碳化硅器件的裝置

●電機(jī)控制器：影響續(xù)航里程

電動(dòng)汽車整車系統(tǒng)中，動(dòng)力電池的成本占比最高，約占整車成本的4-5成，在成本一定且電池技術(shù)路線確定的情況下，直接通過增加電池容量來提升續(xù)航里程的思路難以實(shí)現(xiàn)，在保證電池容量及技術(shù)路線不變的前提下，如何通過其他方法提升電能的轉(zhuǎn)化效率，降低電能損耗，實(shí)現(xiàn)續(xù)航里程的提升，一直是行業(yè)在探索的問題。

根據(jù)目前已知的行業(yè)數(shù)據(jù)，在電機(jī)控制器中用碳化硅MOS替換硅基IGBT后，會(huì)獲得電機(jī)控制器的效率的提升，NEDC工況下，對(duì)電池續(xù)航的貢獻(xiàn)提升在3%-8%之間，所以電控應(yīng)用對(duì)碳化硅器件的需求最為迫切。同時(shí)，在國內(nèi)新能源汽車市場大力推進(jìn)適應(yīng)高壓快充技術(shù)的高壓平臺(tái)上，硅基IGBT應(yīng)對(duì)起來就非常吃力，取而代之的是碳化硅MOS。這更加確定了碳化硅功率器件在下一代電控系統(tǒng)中的核心和不可替代性地位。

近年來多家車企已開始全面采用碳化硅功率模塊，特斯拉的Model 3和Model Y、比亞迪的漢、蔚來的ET5和ET7、小鵬的G9和G6等車型相繼量產(chǎn)碳化硅電機(jī)控制器，整車的續(xù)航里程與加速性能都得到了顯著的提升。

圖4.特斯拉的逆變器

●車載輔助系統(tǒng)的碳化硅應(yīng)用

碳化硅肖特基二極管、SiC MOSFET 器件則主要應(yīng)用于車載OBC、DC/DC、空調(diào)系統(tǒng)，主要影響充電效率和輔助系統(tǒng)用電效率、開關(guān)頻率等。◎車載充電機(jī)（OBC）為電動(dòng)汽車的高壓直流電池組提供了從基礎(chǔ)設(shè)施電網(wǎng)充電的關(guān)鍵功能，并決定了充電功率和效率的關(guān)鍵部件。電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換為直流電對(duì)電池進(jìn)行充電， 碳化硅二極管及MOSFET器件則可用于車載充電機(jī)PFC和DC-DC次級(jí)整流環(huán)節(jié)，推動(dòng)車載充電機(jī)向雙向充放電、集成化、智能化、小型化、輕量化、高效率化等方向發(fā)展。
◎電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)DC/DC 是轉(zhuǎn)變輸入電壓并有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)高壓電池和低壓電瓶之間的功率轉(zhuǎn)換，主要給車內(nèi)低壓用電器供電，如動(dòng)力轉(zhuǎn)向、水泵、車燈等。隨著整車智能化、電氣化的發(fā)展，對(duì)DCDC的供電功率及安全性提出了更高的要求。

◎車載空調(diào)系統(tǒng)中，在高壓平臺(tái)車型，因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1552489.html">快速充電所帶來的電池包的熱集聚，需要快速釋放。當(dāng)前的技術(shù)是采用車載空調(diào)系統(tǒng)為電池包散熱，因此對(duì)于空壓機(jī)和PTC的頻率以及功率都有大幅提升的要求。而傳統(tǒng)的硅基IGBT和MOS器件已無法滿足，采用碳化硅MOS器件已勢(shì)不可擋。

車用碳化硅功率模塊的產(chǎn)業(yè)化落地與技術(shù)邏輯

當(dāng)前，全球碳化硅產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美、歐、日三足鼎立態(tài)勢(shì)，碳化硅材料七成以上來自美國公司，歐洲擁有完整的碳化硅襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，日本則在碳化硅芯片、模塊和應(yīng)用開發(fā)方面占據(jù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。中國目前已具備完整的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈，在材料制備和封測應(yīng)用等部分環(huán)節(jié)具有國際競爭力。目前排名在前幾位均為國外公司，國內(nèi)公司尚未形成一定市占率。

而在新能源汽車領(lǐng)域，由于我國汽車電動(dòng)化走在全球最前列，本土市場拉動(dòng)正在成為國產(chǎn)半導(dǎo)體企業(yè)崛起的有利因素。

現(xiàn)在，全球碳化硅企業(yè)都在積極開拓汽車市場，主要應(yīng)用落地包括功率分立器件和功率模塊。其中，碳化硅芯片的優(yōu)良特性，需要通過封裝與電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率的高效、高可靠連接，才能得到完美展現(xiàn)。經(jīng)過專業(yè)的設(shè)計(jì)和先進(jìn)的封裝工藝制作出來的碳化硅MOSFET功率模塊，是目前電動(dòng)汽車應(yīng)用的主流趨勢(shì)。

目前新的設(shè)計(jì)SiC模塊的設(shè)計(jì)方向是結(jié)構(gòu)緊湊更緊湊，通過采用雙面銀燒結(jié)和銅線鍵合技術(shù)，以及氮化硅高性能AMB陶瓷板、用于液冷型銅基PinFin板、多信號(hào)監(jiān)控的感應(yīng)端子（焊接、壓接兼容）設(shè)計(jì)，努力往低損耗、高阻斷電壓、低導(dǎo)通電阻、高電流密度、高可靠性等方向努力。通過好的設(shè)計(jì)和先進(jìn)的工藝技術(shù)確保碳化硅MOSFET性能優(yōu)勢(shì)在設(shè)備中得到最大程度發(fā)揮。

圖5.碳化硅MOSFET封裝要求

更小的元胞尺寸、更低的比導(dǎo)通阻、更低的開關(guān)損耗、更好的柵氧保護(hù)是碳化硅MOSFET技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)，體現(xiàn)在應(yīng)用端上則是更好的性能和更高的可靠性。加之碳化硅器件的高功率密度、高結(jié)溫特性、高頻特性要求，也對(duì)現(xiàn)有封裝技術(shù)提出更高的要求，目前中國的功率模塊封裝創(chuàng)新主要朝著如下幾個(gè)方向在走：

●更先進(jìn)的連接材料以及連接工藝，以承受更高的溫度變化

功率模塊中主要使用3種陶瓷覆銅板：AI2O3-DBC熱阻最高，但是制造成本最低；AlN-DBC熱阻最低，但韌性不好；Si3N4-AMB陶瓷材料熱阻居中，韌性極好，熱容參數(shù)也更出色，可靠性遠(yuǎn)超AlN和AI2O3，使得模塊散熱能力、電流能力、功率密度均能大幅提升，非常適合汽車級(jí)的碳化硅模塊應(yīng)用。

●更短的連接路徑以及更先進(jìn)的連接技術(shù)，以降低雜感來適應(yīng)器件高頻特性

銀燒結(jié)是目前碳化硅模塊領(lǐng)域最先進(jìn)的焊接技術(shù)，可充分滿足汽車級(jí)功率模塊對(duì)高、低溫使用場景的嚴(yán)苛要求。相較于傳統(tǒng)錫焊技術(shù)，銀燒結(jié)可實(shí)現(xiàn)零空洞，低溫?zé)Y(jié)高溫服役，焊接層厚度減少60-70％，適合高溫器件互連，電性能、熱性能均優(yōu)于錫焊料，電導(dǎo)率提高5-6倍，熱導(dǎo)率提高3-4倍。很多企業(yè)已經(jīng)嘗試將功率模塊內(nèi)部中的所有傳統(tǒng)焊料升級(jí)迭代為銀燒結(jié)工藝，包括芯片，電阻，傳感器等。

為進(jìn)一步提升模塊電性能及可靠性，嘗試的方向是采用DTS+TCB（Die Top System + Thick Cu Bonding）技術(shù)，在常溫條件下通過超聲焊接將粗銅線與AMB基板、及芯片表面的覆銅片進(jìn)行鍵合連接，實(shí)現(xiàn)彼此間的電氣互聯(lián)。相較鋁線鍵合，模塊壽命可提升3倍以上，且電流和導(dǎo)熱能力可大幅提升。

●更集成的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及電路拓?fù)?/a>，以進(jìn)行更好的系統(tǒng)熱管理

為使模塊產(chǎn)品熱路徑設(shè)計(jì)更緊湊，促使逆變器系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)更緊湊高效，進(jìn)一步降低整體系統(tǒng)逆變器成本，通過封裝形式的改變，改善散熱性以及通流能力。采用多芯片并聯(lián)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，各并聯(lián)主回路和驅(qū)動(dòng)回路參數(shù)基本一致，最大程度保證并聯(lián)芯片的均流性。模塊內(nèi)部封裝有溫度傳感器（PTC），且PTC安裝在靠近芯片的模塊中心位置，得到了一個(gè)緊密的熱耦合，可方便精確地對(duì)模塊溫度進(jìn)行測量。

國產(chǎn)車用碳化硅功率模塊的未來走向

當(dāng)前，新能源汽車產(chǎn)銷兩旺，汽車半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在成為全球集成電路行業(yè)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。功率半?dǎo)體將成為單車成本最高的半導(dǎo)體，也是國內(nèi)企業(yè)現(xiàn)階段最有可能實(shí)現(xiàn)突破的汽車半導(dǎo)體領(lǐng)域，而碳化硅已毋庸置疑地成為了主要突破點(diǎn)。

大部分汽車企業(yè)已開始積極布局碳化硅上車應(yīng)用，碳化硅功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在中國乃至全球都處于爆發(fā)前夜，國內(nèi)車用碳化硅功率的發(fā)展，需要車企、Tier1和碳化硅器件廠家的共同努力。從長期發(fā)展來看：◎建立行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范：汽車企業(yè)需要聯(lián)合起來，探討并發(fā)布一些共性的要求來構(gòu)建需求，形成共同的測試標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，減少行業(yè)試錯(cuò)成本；

◎建立健全產(chǎn)業(yè)支持政策：從上游到下游，行業(yè)應(yīng)考慮如何建立一整套的支持和互信政策，推動(dòng)上游材料、芯片到下游應(yīng)用的打通；

◎加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)及區(qū)域協(xié)同創(chuàng)新：從中國發(fā)展產(chǎn)業(yè)的邏輯來看，區(qū)域的集群是很重要的積極影響因素。從區(qū)域集群走出來的產(chǎn)業(yè)，可以逐步擴(kuò)展到全國乃至全球范圍。這就需要地方上在區(qū)域經(jīng)濟(jì)的規(guī)劃層面，進(jìn)行更細(xì)致的政策支持和政企溝通;

◎引入適宜的金融服務(wù)：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)周期長、投入重、測試水平嚴(yán)苛，需要有相應(yīng)的金融政策和服務(wù)，來支持產(chǎn)業(yè)良性循環(huán)和發(fā)展，例如設(shè)立車用國產(chǎn)芯片保險(xiǎn)項(xiàng)目等。

小結(jié)：隨著新能源汽車的發(fā)展，以及國內(nèi)芯片行業(yè)的崛起，我國將會(huì)在以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域有很大的作為，不管是技術(shù)投入還是投資方面都有很大的建樹，期待這個(gè)領(lǐng)域的長期發(fā)展。