【汽车与环境】株洲中车时代刘国友:汽车IGBT芯片及其封装技术发展

盖世汽车综合 2017-12-09

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株洲中车时代电气股份有限公司副总师 刘国友

各位专家上午好!我来自株洲中车时代,可能很多不清楚中车还做半导体。今天想汇报我们的封装技术解决方案。主要是四个方面,IGBT是新能源汽车的核心了,电机包括电池国产化的速度还是比较快的,但是IGBT芯片这一块面临的挑战还比较大。IGBT在电动汽车中的应用工况非常复杂,高温高湿高振动对IGBT是一个比较大的考验,装配体积包括成本的要求都非常地严格,同时寿命要求也比较高。并不是说IGBT都是汽车级的IGBT,它的要求要比普通工业的要求高很多了。IGBT技术创新对性能的提升很重要,低损耗、宽安全工作区的要求,对整个结构实际上也是非常好的机会。对FRD的震荡大,是很多IGBT模块里面共有的一个特性,如何降低这个震荡是一个非常大的挑战,同时在封装的时候如何解决低热阻、高散热这一块也是一个挑战。功能的集成除了我们常说的温度跟低热传感器的芯片设计有关,还包括本身的功能集成。

下面汇报一下中车在汽车IGBT芯片的封装技术方面做的工作。我们目前是第二代汽车IGBT芯片了,第一代的汽车IGBT也是我们目前实现12.um的Mesa结构。我们去年研发出了下沉发射沟槽IGBT,它的好处是可以进一步提升折衷特性。最右边是常用的技术,我们可以极大地降低损耗,这个损耗主要通过调节载流子路径可以实现。我们实际上把电厂建立了均衡的控制,载流子就不会形成拥挤的状态,整个损耗可以很大幅度地降低,这种技术可以实现11倍额定电流下的关断,同时短路电流失效为热失效,同时,进一步地降低了关断开通的损耗,可以进一步降低它的开通损耗和关热损耗,降低20%,这样更容易实现开通特性。在FRD这一块,我们采用了一种新的技术,是PIC的结构,对反向恢复过程进行控制。整个无震荡质子注入,具有高鲁棒性、低反向恢复能量、无震荡。在封装技术这一块,在高效散热,主要通过材料的选择有效降低整个模块的热阻,同时我们采用一些新型的封装结构,尽可能减少散热的层级,有利于散热,它的热阻可以得到大大地降低;同时,采用一些新的冷却方式,像Pin-Fin,一种是针翅结构,一种是片翅结构,可以采用双面冷却的技术,进一步降低IGBT模块的热阻。结构的集成这一块主要根据客户定制化需求,建立高功率密度的集成,这样更加可靠,成本也可以大大地降低,这是我们已经开发完了的汽车IGBT的组件(PPT)。可靠性这一块,我们研发了铜工艺互连技术,具有优良的电导率和热导率,超过6倍的功率循环能力。实际上,金属超声键合的方式,获得比较低的接触热阻,同时提高大电流的承载能力。芯片焊接这一块目前普遍采用的是低温银烧结技术,有超高的熔点,优良的热导率,具有较好的热功率循环能力。

通过这些技术,我们已经开发出了IGBT的一些产品,目前是三个产品。第一个是标准封装技术,第二个是针翅型标准封装,第三个是紧凑型平面封装。基于这三个平台,对整个产品进行了细化地分类,以满足不同应用工况的汽车IGBT模块。M1的这款模块目前已经在我们一线的电动大巴上面进行了大量的应用。我们有很明显的优势,这也是整个IGBT芯片在控制这一块的特点。我们的750V在损耗这一块,是有一些优势的。L1模块是双面冷却双面焊接的,我们非常看好这个产品。客户对我们这个产品比较感兴趣,这款产品整个损耗比较小,包括开发损耗,包括它有很低的热阻。我们开发了高密度的集成IPU,具有高功率密度、高可靠性、低成本,整个功率密度可以达到27.3。

汽车IGBT技术发展趋势,一方面基于我们开发的技术,我们进一步通过降低它的性能宽度,节约了制造损耗,在协调方面比现有的产品提高很大的一个比例。同时,我们也在研发逆导型的IGBT,这样进一步提高它的整个密度。超结IGBT也有很广泛的应用,这样子(PPT),进一步降低整个IGBT芯片的损耗。在功能集成这一块,主要是把温度传感器和电流传感器功能的集成,我们可以实现对整个芯片级的管理,同时我们也更加紧凑地集成水冷流道的散热结构。铜工艺这一块,改进整个IGBT的金属化,铜线键合。在汽车这一块我们已经开发了IGBT模块,芯片是有铜金属化的人来做的,同时端子也是超声键合的。烧结技术是铜烧结技术,也是一种低温的工艺。在底板散热这一块也是一体化的,我们也开发了GaN、SiC器件。我们承担了科技部的国家重点项目,我们在这一块也在做一些工作。

最后做一个小结,实际上作为中车,我们不仅希望我们能在高铁、电网这一块能更新我们的工业,我们也希望能为国家新能源汽车的发展有所作为。谢谢大家!


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