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碳化硅功率模块在新能源汽车产业链中应用的情况分析

发表于 2020-11-30

无论在消费、工业还是汽车领域，目前氮化镓都已有了成熟应用的案例。英诺赛科销售副总裁陈钰林指出，在快充和激光雷达领域，氮化镓已经实现了千万级别的出货，英伟达在新一代人工智能处理器主板上也使用了100伏的低压氮化镓电源模块。



与此同时，另一个关键的第三代半导体材料——碳化硅在过去两年的全球市场也发生了些“微妙”的变化：碳化硅衬底供应开始严重不足，但Cree已和数个关键公司签署了长期供货协议，并在2019年5月宣布未来五年投资10亿美元，扩展衬底生产线；英飞凌收购了具有衬底制造技术的Siltectra；ST收购了Norstel55%的股权等。

这些变化背后的“始作俑者”竟是特斯拉。自特斯拉在引入碳化硅MOSFET到主驱上并迅速量产后，国内新能源汽车也开始跟进，且得到了市场的广泛接受。为此，碳化硅器件的“杀手级应用”诞生并确定——新能源汽车。



在11月27日于广州南沙举办的2020第三代半导体支撑新能源汽车创新发展高峰论坛上，东道主广东芯聚能半导体有限公司的总裁周晓阳发表了《碳化硅功率模块在新能源汽车中的应用》的演讲，以其三十多年的半导体行业从业经验，总结了当下碳化硅功率模块在新能源汽车产业链中应用的情况。

从全球几大SiC国际大厂的发展战略来看，ST最早量产并大量应用于特斯拉，并用较低的价格抢占市场份额，以达到规模经济，其2019年收购Norstel，向上垂直整合发展，且在向8吋过度。与此同时，Cree和Rohm也通过向下垂直整合的方式推动产品开发，并向8吋过渡以达到器件级别的价格竞争力；而英飞凌则是硅基IGBT 12吋和SiC双轮发展，在封装有规模价格优势；此外，Tier1厂商的博世也布局参与第一梯队的竞争。



在整车厂及Tier1引入SiC的情况方面，周晓阳指出，目前博格华纳、欣锐科技、吉利汽车、大众及BYD等企业布局OBC领域，特斯拉、丰田、本田、BYD，吉利及蔚来等企业积极布局主驱，而DC-DC领域主要有欣锐科技、特斯拉、吉利汽车、BYD等公司。由于行业发展很快，周晓阳认为目前这个领域会有越来越多玩家进入。当然，周晓阳也特别强调，这个名单也不是非常全面，随着行业快速发展，整个市场布局也是瞬息万变。

之所以在这几个方面能快速吸引玩家进入，与碳化硅的“价值主张”密不可分。周晓阳认为，相比硅材料，碳化硅可实现更高结温，更高频率，更高耐压，这样就给电动汽车更有效的电驱控制，提高续航里程，减少电池消耗，也可减少整个电驱系统的体积与重量；可用于速度更快、容量更高的的车载充电方案；由于碳化硅优异的性能表现及本身成本的不断降低（材料工艺更加成熟），将带来系统级成本优势以及加速其在纯电动市场上的应用，基于此，碳化硅未来存在巨大的增长机会。

尽管未来前景很好，但碳化硅芯片本身具有场强、能隙、热导率、熔点、电子迁移率等方面的新特性，对封装提出了新要求和挑战，要想从设计到产品量产，其中的工艺实现要经历诸多严苛的挑战。

作为封装领域具有三十多年经验的老兵，周晓阳从结构、材料、集成和工艺等方面展示了对碳化硅的热力和电感等封装设计优化的思路。

周晓阳将碳化硅的封装形式分为三类：第一类为分立器件封装，它具有标准化、大产量、低成本等优势，适合于IDMs amp;OSAT的特点；第二类为二合一到四合一的小模块，它具有更大的设计及尺寸灵活性、更好的散热等特点，对OSAT相对门槛较低，比功率模块的量大；此外，还有非标准化的功率模块，相对小批量多品种，这类封装的技术挑战大、门槛高。芯聚能主要发力后两类模块。



基于芯聚能技术管理团队对封装设计思路的优化以及封装形式的清晰认知，公司自主开发了SiC车载主驱模块。2020年8月完成了1200V/750V多个版本的设计定型；10月完成了A样试制，采用了高温高压银烧结技术，目前产品通过了主机厂性能测试。周晓阳向集微网透露，“计划与明年达到SOP状态，2021年的产能目标超过3万块/月。”

芯聚能是面向新能源汽车及一般工业产品功率芯片设计，功率模块开发制造的高科技技术企业，专注于IGBT/SiC功率模块及功率器件研发、设计、封装、测试及营销业务，为客户提供完整的解决方案。芯聚能管理与技术团队主要来自欧美日大公司，以海外高端技术与产业化人才为核心，具有国际知名半导体公司工作经验，涵盖了芯片设计、研发、工艺开发、测试验证及应用方案、生产运营及品质管理等各个方面领域。

国内首家 | 200kW等级高效率碳化硅逆变器实验成功

SERES赛力斯 

SERES（赛力斯）正式宣布：首款基于自主封装碳化硅（SiC）器件的逆变器成功通过电驱动系统联合测试。



SERES碳化硅逆变器

碳化硅因其优秀的开关特性以及轻载导通损耗等优势，在显著的效率提升同时，实现更小的动力电池容量，更长的续航里程，以及汽车总体成本的下降等目标需求。

相较于传统功率器件（IGBT）的逆变器，碳化硅逆变器在整个运行区间均带来显著的效率提升。轻载效率（转速低于2000rpm，扭矩低于100 Nm）由65%提升至92%， 峰值效率达到99%。这标志着SERES（赛力斯）成为国内首家、全球唯二（另一家是特斯拉）同时掌握基于单管并联以及自研模块的第三代宽禁带功率半导体 （碳化硅）逆变器设计能力的企业。

Seres TO-247封装单管碳化硅器件

SERES电驱动系统电力电子高级总监聂中博士表示：“此次开发的200kW碳化硅逆变器，证明SERES（赛力斯）始终位于电动汽车技术的最前沿。利用现有的架构，产品线可以提供基于TO-247封装单管、半桥功率模块、或者全桥功率模块的各种规格的碳化硅逆变器”。

Seres半桥碳化硅功率模块

SERES（赛力斯）通过深度合作，积极整合了多家业界领先的半导体厂商的优势，仅用3年时间，就完成了IGBT到碳化硅器件的跨代升级，用更成熟的设计和更低的价格迎接碳化硅逆变器市场。

Seres全桥碳化硅功率模块

目前，SERES（赛力斯）已开发完成了400V和800V两个电压平台的碳化硅逆变器。其中400V的碳化硅逆变器可替代现有SF5采用的400V IGBT逆变器。800V的碳化硅逆变器可以用于未来更高电压平台的车型，以最成熟的技术，最灵活的平台，最低的价格，成为电驱领域的一匹“黑马”。$小康股份(sh601127)$长安汽车(sz000625)$ $特斯拉(TSLA)$ #碳基半导体进入规模工业化的基础# #碳化硅#露笑科技、聚灿光电