SiC的最大應(yīng)用場(chǎng)景是BEV

在今天的汽車市場(chǎng),SiC已經(jīng)成為最具活力的技術(shù)之一,設(shè)計(jì)導(dǎo)入機(jī)會(huì)很多,其滲透率正在快速增長。那么,在EV/HEV系統(tǒng)中,SiC的最大應(yīng)用場(chǎng)景在哪里?Yole認(rèn)為,不同電氣化水平的車型,包括輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(MHEV)、全混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)和插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)、零排放電池電動(dòng)汽車(BEV)和燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV)對(duì)SiC的需求有所不同。

過去,人們預(yù)計(jì)向全電動(dòng)汽車的過渡速度會(huì)相當(dāng)緩慢和漸進(jìn)。這主要是由于電池成本高,行駛里程短。近幾年,由于電池技術(shù)的快速發(fā)展、制造成本的降低、供應(yīng)鏈的整合等諸多因素,BEV的發(fā)展正在提速。

汽車電氣化發(fā)展進(jìn)程

BEV被認(rèn)為是汽車電氣化的終極目標(biāo),因此意味著可持續(xù)的商機(jī)。而且其中的牽引逆變器、蓄電池和電動(dòng)機(jī)是體現(xiàn)不同主機(jī)廠車輛技術(shù)性能的三個(gè)關(guān)鍵區(qū)別因素。特別是逆變器效率的提高可以降低從電池到電機(jī)的能量損耗,延長行駛里程,直接影響車輛的性能和用戶的駕駛體驗(yàn)。

現(xiàn)在,主機(jī)廠在功率模塊的設(shè)計(jì)和制造方面越來越激進(jìn)。但由于開發(fā)高性能、低制造成本的功率模塊封裝對(duì)主機(jī)廠來說有一定難度,一些主機(jī)廠更傾向于直接采用上游廠商提供的SiC MOSFET模塊。

因此,SiC技術(shù)應(yīng)用成功的關(guān)鍵因素之一是供應(yīng)鏈安全。在最初特斯拉Model 3、Model S和Model X相繼采用SiC后,不僅展示了SiC在牽引逆變器中的全部性能優(yōu)勢(shì),也縮小了硅和寬帶隙之間的鴻溝。自那時(shí)起,汽車用SiC器件的發(fā)展速度不斷加快,主逆變器和車載充電器設(shè)計(jì)成倍增加,搭載SiC的新車型也開始增多。

2020年,作為特斯拉競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的主機(jī)廠都搭載了全SiC模塊的主逆變器:比亞迪推出了純電動(dòng)車車型“漢”,Lucid推出了Lucid Air。韓國現(xiàn)代、奧迪、大眾、戴姆勒和通用汽車也都在研發(fā)SiC解決方案。

隨著SiC器件的成功應(yīng)用,為了滿足日益增長的需求,領(lǐng)先襯底制造商Cree、SiCrystal(ROHM)、II-VI等在晶體生長方面進(jìn)行了大量投資,而幾乎所有領(lǐng)先的設(shè)備制造商都收購或加速了晶圓技術(shù)的內(nèi)部增長。2019-2020年間,領(lǐng)先的SiC器件制造商ST、英飛凌和安森美半導(dǎo)體(ON Semiconductor)與頭部晶圓和SiC晶體供應(yīng)商Cree|Wolfspeed、SiCrystal和GTAT等簽署了長期合作協(xié)議。

涉足車用SiC的上下游廠商

自從800V電池系統(tǒng)電動(dòng)汽車問世以來,1200V SiC越來越受到人們的關(guān)注。經(jīng)過幾年的發(fā)展,針對(duì)牽引逆變器應(yīng)用的1200V SiC MOSFET技術(shù)已成為眾多器件制造商的優(yōu)先選擇。下一個(gè)重點(diǎn)是開發(fā)合適的封裝,以充分利用SiC MOSFET的附加價(jià)值。

“面向制造的設(shè)計(jì)”是關(guān)鍵

在電動(dòng)汽車中,發(fā)動(dòng)機(jī)艙的可用空間非常有限,因此,電動(dòng)汽車中的電動(dòng)傳動(dòng)系要更小,還要有更高的功率密度。這就需要用新的封裝來提高器件性能。事實(shí)上,在更高的溫度下,標(biāo)準(zhǔn)塑封可能會(huì)在不同層面上出現(xiàn)可靠性問題,包括其中的引線鍵合、基板到封裝的連接。此外,為了在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中保持競(jìng)爭(zhēng)力,功率模塊制造商必須在高可靠性和保持成本效益之間取得平衡。

事實(shí)上,具有最高性能的解決方案并不一定是客戶需要的,功率模塊材料的選擇和設(shè)計(jì)是影響器件性能的基礎(chǔ),而“面向制造的設(shè)計(jì)”是降低成本的關(guān)鍵。

由于電動(dòng)汽車仍然是一個(gè)相對(duì)較新的業(yè)務(wù)領(lǐng)域,許多參與者都在通過高性能來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化。這通常是通過使用專有模塊設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的,即采用能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的封裝解決方案,以保證根據(jù)性能要求將模塊更好地集成到最終系統(tǒng)中。

從應(yīng)用看,在實(shí)際封裝中可以發(fā)現(xiàn)不同的趨勢(shì),包括:轉(zhuǎn)移模塑(transfer molding)結(jié)構(gòu)、塑料外殼、金屬外殼;基板上Pin-Fin散熱器;基板組件集成設(shè)計(jì);單面或雙面冷卻技術(shù);SiN-AMB(氮化硅-活性金屬釬焊)基板;銀燒結(jié)片芯連接、絲網(wǎng)印刷、錫基連接。事實(shí)上,SiC片芯、銀燒結(jié)片芯連接和SiN-AMB陶瓷基板已成為最高性能、最高可靠性的電動(dòng)汽車牽引逆變器SiC功率模塊的“金三角”。

在封裝方面,模壓雙面冷卻模塊以散熱器封裝取代了塑料外殼,使逆變器更加緊湊和高度模塊化。例如日立2019年為奧迪e-tron和保時(shí)捷Taycan開發(fā)的雙面冷卻功率模塊以集成基板為金屬外殼,采用直接水冷型雙面冷卻實(shí)現(xiàn)了逆變器的小型化。

SiC模塊封裝設(shè)計(jì)因車而異

無獨(dú)有偶,英飛凌和豐田也開發(fā)了雙面冷卻解決方案。其模塊的不同不僅是開關(guān)的數(shù)量,而且材料也不一樣,包括引線框架、側(cè)壁(Spacer)和片芯連接材料。

此外,基板對(duì)散熱有很大影響;銅已被廣泛用作引線框架材料,而新型集成散熱片Pin Fin、AMB陶瓷基板正日益受到重視。此外,焊料在提高模塊可靠性方面的作用不可小覷,特別是在更高的溫度下。銀燒結(jié)的使用越來越普遍,無論是在片芯下還是在基板下都有使用。

散熱系統(tǒng)需要?jiǎng)?chuàng)新

為了減少連接引起的電感,人們發(fā)現(xiàn)粗線連接已經(jīng)落伍,銅夾或更寬的連接更具優(yōu)勢(shì)。在灌封膠方面,三菱J1系列650V大功率汽車模塊使用了新的導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂,而不是傳統(tǒng)的硅膠。環(huán)氧樹脂的散熱性比較好,具有更好的耐高溫特性。

競(jìng)爭(zhēng)將降低SiC成本

我們現(xiàn)在可以自信地說,SiC將不斷與低成本且成熟的硅直接競(jìng)爭(zhēng),而硅本身就是一個(gè)移動(dòng)的靶子�？梢灶A(yù)期,在最初關(guān)注高性能和高可靠性之后,SiC的開發(fā)重點(diǎn)將轉(zhuǎn)向降低成本,以更好地與硅基IGBT功率模塊進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。

在封裝方面,功率模塊正朝著使用高性能材料和減少層數(shù)、尺寸和接口,同時(shí)保持電氣、熱和機(jī)械特性的方向發(fā)展。未來將會(huì)有更多的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和封裝解決方案出現(xiàn),特別是可以通過集成節(jié)約成本的解決方案。

鑒于SiC在電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車逆變器和充電基礎(chǔ)設(shè)施、光伏(PV)逆變器和電源中的應(yīng)用日漸增加,英飛凌、Wolfspeed、ST、ROHM、三菱電機(jī)和許多其他老牌硅公司都提供了SiC組合。

在生態(tài)系統(tǒng)方面,最有力的競(jìng)爭(zhēng)者之一是Wolfspeed。這家垂直整合的SiC公司從襯底材料到SiC器件生產(chǎn)環(huán)環(huán)相扣,為汽車主機(jī)廠贏得了多項(xiàng)設(shè)計(jì)導(dǎo)入。最近,該公司加大了投資。計(jì)劃于2022年在紐約開設(shè)新的制造工廠,進(jìn)一步完善生態(tài)系統(tǒng)。

在這個(gè)令人興奮的市場(chǎng),我們將見證功率電子行業(yè)一個(gè)非凡SiC時(shí)代的開啟!