近日，2020第三代半導體支撐新能源汽車創新發展高峰論壇在廣州南沙舉行。

 

廣東芯聚能半導體有限公司總裁 周曉陽出席論壇并分享主題報告

 

會上，廣東芯聚能半導體有限公司總裁周曉陽發表了《SiC 功率模塊在新能源汽車中的應用》的主題演講，以其三十多年的半導體行業從業經驗，總結了當下碳化硅功率模塊在新能源汽車產業鏈中應用的情況。

廣東芯聚能半導體有限公司總裁 周曉陽

 

在過去的兩年時間里，全球市場也發生了些“微妙”的變化：SiC襯底供應開始嚴重不足，但是數個關鍵公司和Cree/其他簽署了長期供貨協議。Cree供應全球40%的SiC wafer，并宣布在未來5年投資10億美元，擴展襯底生產產能，其他襯底供應商也在擴產。Infineon（英飛凌）收購了具有襯底制造技術的Siltectra；ST收購了Norstel55%的股權，On Semi 自研襯底等等。

 

這主要原因是特斯拉開始引入SiC MOSEFT到主驅上并迅速量產，并被市場廣泛接受，客戶反應良好。緊跟著，國產新能源車也開始引入SiCMOSFET到主驅上，效果反應良好。隨著SiC襯底逐漸起量，價格也開始下降。SiC 市場從以二極管為主逐漸過渡到以MOSFET為主（國際市場）。

 

從全球幾大SiC國際大廠的發展戰略來看，ST最早量產并大量應用于特斯拉，并用較低的價格搶占市場份額，以達到規模經濟，其2019年收購Norstel，向上垂直整合發展，且在向8寸過度。

 

與此同時，Cree和Rohm也通過向下垂直整合的方式推動產品開發，并向8寸過渡以達到器件級別的價格競爭力；而英飛凌則是硅基IGBT 12寸和SiC雙輪發展，在封裝有規模價格優勢；此外，Tier1廠商的博世也布局參與第一梯隊的競爭。

 

在整車廠及Tier1引入SiC的情況方面，周曉陽指出，目前博格華納、欣銳科技、吉利汽車、大眾及BYD等企業布局OBC領域，特斯拉、豐田、本田、BYD，吉利及蔚來等企業積極布局主驅，而DC-DC領域主要有欣銳科技、特斯拉、吉利汽車、BYD等公司。

 

周曉陽特別強調，目前這個領域會有越來越多玩家進入，隨著行業快速發展，整個市場布局也是瞬息萬變，上述名單也不是非常全面。

 

之所以在這幾個方面能快速吸引玩家進入，與碳化硅的“價值主張”密不可分。周曉陽認為，相比硅材料，碳化硅可實現更高結溫，更高頻率，更高耐壓，這樣就給電動汽車更有效的電驅控制，提高續航里程，減少電池消耗，也可減少整個電驅系統的體積與重量；可用于速度更快、容量更高的的車載充電方案；由于碳化硅優異的性能表現及本身成本的不斷降低（材料工藝更加成熟），將帶來系統級成本優勢以及加速其在純電動市場上的應用，基于此，碳化硅未來存在巨大的增長機會。

 

盡管未來前景很好，但碳化硅芯片本身具有場強、能隙、熱導率、熔點、電子遷移率等方面的新特性，對封裝提出了新要求和挑戰，要想從設計到產品量產，其中的工藝實現要經歷應用環境、嚴苛的可靠性要求、質量成本、新工藝檢測方法、標準規范性挑戰諸多嚴苛的挑戰。

 

作為封裝領域具有三十多年經驗的老兵，周曉陽從結構、材料、集成和工藝等方面展示了對碳化硅的熱力和電感等封裝設計優化的思路。

 

周曉陽將碳化硅的封裝形式分為三類：第一類為分立器件封裝，它具有標準化、大產量、低成本等優勢，適合于IDMs&OSAT的特點；第二類為二合一到四合一的小模塊，它具有更大的設計及尺寸靈活性、更好的散熱等特點，對OSAT相對門檻較低，比功率模塊的量大；此外，還有非標準化的功率模塊，相對小批量多品種，這類封裝的技術挑戰大、門檻高。芯聚能主要發力后兩類模塊。

 

周曉陽表示，新型銀燒結工藝可以有效的提高芯片連接可靠性，極大的提高導熱能力，但其工藝的實現，質量判斷的標準和方法仍然對很多企業存在諸多挑戰。

 

SiC模塊在封裝設計同樣面臨諸多挑戰。SiC晶圓和襯底國內較少、芯片價格高、封裝研發成本較高，面臨成本挑戰。過去主要以代工為主，封裝研發設計積累不深，科研體系與產業銜接起步階段，在設計環節面臨著技術儲備挑戰。新型先進材料和工藝仍以進口為主，對產品實現性，在材料與設備環節面臨硬件設施挑戰。同時，主流CAE軟件國外為主，成本較高，技術支持和經驗積累較薄弱，面臨著軟件支持挑戰。

 

周曉陽認為，正因為全球SiC產業化剛剛開始，國內產業起步雖晚，但推動力度大進度快，封裝技術瓶頸和差距依然具備追趕并進的機會。

 

報告中，周曉陽現場詳解了關于SiC模塊在靜態測試、動態測試及可靠性方面存在的挑戰。關于SiC模塊的靜態測試挑戰：相比IGBT器件，SiC器件具有自身的材料特性，測試方法也需要做出相應的調整。1）針對Vgsth的測量，在不同柵極脈沖測試順序后，結果會發生偏移；2）大功率模塊采用多芯片并聯；相比IGBT，SiC MOSFET的器件電氣參數具有更大分散性，在模塊并聯配置時需要更準確的分組設置和測試方法。

 

關于SiC模塊的動態測試挑戰：相比IGBT器件，SiC器件開關速度更快，受寄生參數的影響也更大：1）SiC器件柵極電壓工作范圍相對IGBT更小，在雙脈沖測試時需考量柵極電壓波動幅度，以避免上下橋直通；2）雙脈沖測試系統雜散電感對SiC器件波形影響更大，導致讀值異常；3）SiC器件在大電流關斷時di/dt高，模塊會承受較大的電壓應力，電壓尖峰容易超過安全工作區。

 

關于SiC模塊的可靠性挑戰：SiC芯片本身的本征可靠性問題有SiC 材料缺陷引起的可靠性問題，SiC Fab 工藝（或材料缺陷和工藝共同）引起的可靠性問題；模塊封裝的傳統可靠性問題及SiC特殊封裝工藝相關的可靠性問題，提高可靠性的對策， 改進襯底制造，芯片制作工藝，封裝工藝，提高可靠性；芯片級別的老化篩選，剔除早期缺陷。

 

最后，周曉陽介紹了公司自主開發了SiC車載主驅模塊最新進展。2020年8月完成了1200V/750V多個版本的設計定型；10月完成了A樣試制，采用了高溫高壓銀燒結技術，目前產品通過了主機廠性能測試。

 

周曉陽透露，“計劃與明年達到SOP狀態，2021年的產能目標超過3萬塊/月。”

 

芯聚能是面向新能源汽車及一般工業產品功率芯片設計，功率模塊開發制造的高科技技術企業，專注于IGBT/SiC功率模塊及功率器件研發、設計、封裝、測試及營銷業務，為客戶提供完整的解決方案。芯聚能管理與技術團隊主要來自歐美日大公司，以海外高端技術與產業化人才為核心，具有國際知名半導體公司工作經驗，涵蓋了芯片設計、研發、工藝開發、測試驗證及應用方案、生產運營及品質管理等各個方面領域。