賽晶科技董事長(zhǎng)項(xiàng)頡表示，新能源汽車是全球各個(gè)國(guó)家競(jìng)相研發(fā)的新興產(chǎn)業(yè)，是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向轉(zhuǎn)變、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的戰(zhàn)略需要。賽晶最新研發(fā)針對(duì)電動(dòng)汽車領(lǐng)域的單面冷卻IGBT模塊，應(yīng)用了目前國(guó)際上最新的芯片和模塊設(shè)計(jì)理念，具有極高的緊湊性設(shè)計(jì)，同時(shí)也完全適用于碳化硅芯片。期待能與廣大車企攜手合作，在未來電動(dòng)車碳化硅模塊領(lǐng)域，形成中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。
賽晶科技瑞士子公司SwissSEM首席運(yùn)營(yíng)官Sven先生，通過視頻的方式發(fā)表主題報(bào)告“電動(dòng)汽車和工業(yè)領(lǐng)域最先進(jìn)的IGBT”，首次發(fā)布了下一代車載單面冷卻IGBT模塊——EV-Type模塊。為了讓大家可以全方位地了解EV-Type模塊，《變頻器世界》對(duì)Sven先生的主題報(bào)告進(jìn)行了編輯整理，以下為本次報(bào)告的演講實(shí)錄。
先生們，女士們，大家好！我叫SvenMatthias，是SwissSEMTechnologiesAG公司的副總裁和首席運(yùn)營(yíng)官。很遺憾未能親臨現(xiàn)場(chǎng)。今天我將討論SwissSEM的發(fā)展和即將開啟進(jìn)軍電動(dòng)汽車和功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的使命，感謝聆聽！
我們SwissSEM公司的標(biāo)志設(shè)計(jì)源自瑞士國(guó)旗的十字圖案，也反映了我們的淵源：質(zhì)量思維、技術(shù)，以及來自ABB高層的專家團(tuán)隊(duì)。SwissSEM—即設(shè)計(jì)于瑞士的半導(dǎo)體。
SwissSEM旗下的賽晶亞太半導(dǎo)體科技（浙江）有限公司，位于嘉善縣，我們也稱為“SwissSEM中國(guó)公司”，是我們卓越的制造中心。與SwissSEM瑞士公司——卓越的設(shè)計(jì)、技術(shù)、項(xiàng)目管理中心，一起開發(fā)產(chǎn)品、建立生產(chǎn)基地，并一同打造最先進(jìn)的制造和開發(fā)能力。
兩家公司都是項(xiàng)頡先生創(chuàng)立的賽晶電力電子集團(tuán)有限公司所屬的法人實(shí)體。
公司使命是成為功率半導(dǎo)體元件的世界級(jí)提供商，產(chǎn)品覆蓋工業(yè)、綠色能源和電動(dòng)汽車市場(chǎng)。2019年，我們從零開始創(chuàng)建了這家公司，并且確立了幾個(gè)發(fā)展階段：首先確立“做什么”和“如何做”。首先，它是從確定需求和創(chuàng)造所需的資源開始的，這意味著產(chǎn)品研發(fā)策劃（APQP）、初始供應(yīng)基礎(chǔ)、初始制造、原型和首次官方認(rèn)證。在本次會(huì)談期間，我確信公司即將完成第1階段的任務(wù)，并且已經(jīng)進(jìn)入第2階段。
功率模塊制造的一個(gè)重要原材料是芯片組，它決定了模塊關(guān)鍵參數(shù)。因此，該器件的開發(fā)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)盡可能低的總損耗。
i20IGBT芯片的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素，如下：
精細(xì)圖案溝槽設(shè)計(jì)中，采用了一個(gè)非常狹窄的臺(tái)面設(shè)計(jì)；
優(yōu)化的N-增強(qiáng)層。這兩個(gè)設(shè)計(jì)要素的目標(biāo)是盡可能增加IGBT發(fā)射極側(cè)的電子/空穴等離子體；
盡可能短的溝道長(zhǎng)度，以確保低溝道阻抗；
這些設(shè)計(jì)特點(diǎn)確保了低通導(dǎo)損耗（低開態(tài)電壓降）；
該器件具有先進(jìn)的3D結(jié)構(gòu)P+設(shè)計(jì)；
激光退火的緩沖層和陽極；
以及超薄的N-基底；
這些要素經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，盡量減少總開關(guān)損耗（EoffandEon）。
與IGBT芯片配合工作的是二極管。二極管與IGBT一起開發(fā)，確保了最佳的芯片組整體性能。我們利用先進(jìn)的發(fā)射極效率管理優(yōu)化了二極管。在陽極側(cè)，這是通過優(yōu)化擴(kuò)散分布來實(shí)現(xiàn)的。在陰極側(cè)，我們利用激光退火來調(diào)整緩沖和陰極發(fā)射極。結(jié)合起來，使我們有可能實(shí)現(xiàn)較低的總損耗（通態(tài)電壓降和反向恢復(fù)損耗）。在N-基底中，我們利用電子輻照來調(diào)整載流子壽命。N-基底厚度與發(fā)射極和載流子壽命一起調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)反向軟恢復(fù)。與特別設(shè)計(jì)的連接終端一起使用，以達(dá)到更好的反向恢復(fù)可靠性。該二極管可在反向恢復(fù)期間實(shí)現(xiàn)高di/dt，這降低了IGBT導(dǎo)通損耗。
對(duì)于電氣測(cè)試，我們利用了兩種不同的模塊來測(cè)試數(shù)據(jù)：
在左側(cè)，可以看到我們的EV型模塊。它是一個(gè)半橋接口，每個(gè)橋臂由一個(gè)IGBT和二極管組成。同樣，該模塊類相當(dāng)于三分之一的ED-Type模塊。在如此小的尺寸內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的高電流密度，包含兩個(gè)1.2kV/250A芯片組。電感遠(yuǎn)低于10nH，帶來了較低過沖電壓。低于0.9mOhm的極低接觸電阻，帶來了極低的導(dǎo)通壓降。優(yōu)異的SiN基板，提供了非常低的熱阻和出色的功率循環(huán)能力，一個(gè)內(nèi)部熱敏電阻完成封裝。
在右側(cè)，可以看到ED-Type模塊，它是一種標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)“EconoDual”形式封裝，額定電壓為1.2kV，額定電流為750A。它針對(duì)均衡分流進(jìn)行了優(yōu)化，具有低損耗和高可靠性的特征。后邊，我將說明每項(xiàng)數(shù)據(jù)，是通過哪種模塊獲得的。在我們的EV-Type模塊上測(cè)試，您可以看到我們的IGBT在125℃的外殼溫度下的開通和關(guān)斷特性。
在整個(gè)演示過程中，柵極電壓將以黑色表示，并乘以10倍，以便更好地識(shí)別。電壓為藍(lán)色，電流為紅色。250A和600V條件下所做的單芯片測(cè)量，顯示了柔軟和良好的開關(guān)特性。外部開關(guān)參數(shù)，如柵極電阻Rg_on和Rg_off以及雜散電感，見頁腳注釋。IGBT必須耐受的典型失效模式是發(fā)生短路。施加600V的集電極-發(fā)射極電壓，柵極以15V電壓打開。在最大電流為2800A下，失效模式可以耐受10微秒，足以讓驅(qū)動(dòng)電路檢測(cè)到失效模式并保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。
二極管的額定條件也已確定。二極管結(jié)合了可靠的阻斷能力與低損耗軟切換特性。二極管的關(guān)鍵特征在于換向速度di/dt。這是由IGBT產(chǎn)生的，IGBT啟動(dòng)得越快，Eon的損失就越低。然而，這可能被二極管的恢復(fù)損耗過度補(bǔ)償。因此，需要IGBT和二極管共同發(fā)展以達(dá)到一個(gè)最佳組合效果。
總之，這個(gè)表格顯示了環(huán)境溫度為150℃的SwissSEMED-Type750A模塊的典型數(shù)值。將它與類似封裝的InfineonI4（僅僅將電流增加到750A）進(jìn)行比較。您可以看到，ED-Type的通導(dǎo)損耗表現(xiàn)優(yōu)于I4。與I4封裝相比，SwissSEM產(chǎn)品的關(guān)斷損耗將略高，但是開通損耗明顯降低了20%。我們的二極管與I4的二極管，在恢復(fù)損耗和正向電壓的表現(xiàn)相似。我們的芯片組耐溫等級(jí)高達(dá)175℃。與IGBT4等類似的芯片組技術(shù)相比，SwissSEM的芯片組具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
性能表現(xiàn)圖形反映了輸出功率/或電流與開關(guān)頻率的關(guān)系。這種圖形可以用來對(duì)模塊進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)或應(yīng)用級(jí)的比較。為了得到一個(gè)合適的參數(shù)集，我們比較了行業(yè)內(nèi)其他的同類模塊。熱阻值取自數(shù)據(jù)表，然后我們測(cè)量了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損失以獲取真實(shí)數(shù)據(jù)，而非僅依靠受營(yíng)銷因素影響的技術(shù)性能圖表。
有兩個(gè)模塊代表：位于底部的基于ED-Type封裝的IGBT4/600A模塊（灰色），和的富士電機(jī)封裝/800A（藍(lán)色）。SwissSEM的750A模塊性能，開關(guān)頻率在1kHz的情況下，僅比富士電機(jī)的模塊低2%到3%。SwissSEM的模塊將為我們的客戶提供良好的性能。
如前所述，IGBT的可控性是一個(gè)主要發(fā)展目標(biāo)，通過外部柵極阻抗來實(shí)現(xiàn)對(duì)di/dt的外部調(diào)節(jié)。這是我們首批IGBT的典型開通曲線。此時(shí)所加的電壓為600V，隨后IGBT開通。在兩次開通測(cè)試中，我們使用了兩個(gè)不同的柵極電阻：1.5歐姆和5歐姆（第二次開通測(cè)試）。兩個(gè)電流波形在這里相互疊加。圖形清楚地顯示，對(duì)外部柵極電阻設(shè)置完全沒有響應(yīng)。這對(duì)于調(diào)整損耗、根據(jù)應(yīng)用需求調(diào)節(jié)開關(guān)是個(gè)壞消息。
芯片研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了現(xiàn)在可以從外部進(jìn)行開通調(diào)節(jié)的一個(gè)優(yōu)化結(jié)構(gòu)。與相同溫度下的初始測(cè)試相比，采用相同的1.5歐姆柵極電阻，IGBT的di/dt要低得多。此外，您可以看到，盡管條件苛刻，卻顯示了較低的最大電流。為了讓我們看得更清楚，用藍(lán)色表示的電壓僅用于1.5歐姆的柵極電阻。增加開通電阻，開關(guān)速度會(huì)進(jìn)一步降低。在多個(gè)步驟中，我們將電阻增大到15歐姆，圖上顯示為深紅色�；疑从沉酥虚g步驟。通過這種優(yōu)化，我們的目標(biāo)設(shè)計(jì)顯示出良好的可控性。
另一個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)是IGBT的魯棒性。安全工作區(qū)域顯示了電流等級(jí)仍然可以被安全關(guān)斷。我們?cè)诤芨叩耐鈿囟认逻M(jìn)行這些測(cè)試，采用兩倍的額定電流，電壓通常會(huì)高于器件集電極-發(fā)射極額定電壓的50%。在右邊您可以看到紅色的電流很快變?yōu)榱悖妷荷仙?200伏，安全通過一個(gè)強(qiáng)動(dòng)態(tài)雪崩階段，然后到達(dá)900伏的平臺(tái)。
下一步——將電流增加幾安培，并重復(fù)進(jìn)行測(cè)試。在這里可以看到安全關(guān)斷電流約為700A，相當(dāng)于2.8倍的額定電流。同樣的情況像之前一樣發(fā)生，安全的關(guān)斷電流，很強(qiáng)的電壓升高，甚至更長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)雪崩過程。在這些逐步增加的條件下，除了簡(jiǎn)單地關(guān)斷電流外，IGBT的運(yùn)行只會(huì)出現(xiàn)兩種情況：要么失效，要么達(dá)到飽和并進(jìn)入短路模式。這些條件下，我們的器件在15V的柵極電壓下實(shí)現(xiàn)飽和，電流約為標(biāo)稱電流的3倍。由于這個(gè)電流是被安全關(guān)斷，我們的IGBT堅(jiān)不可摧！
在ED-Type模塊上進(jìn)行同樣的測(cè)試。試驗(yàn)條件被提升至1500A（紅色），即兩倍額定電流，和800V直流連接。需要注意的是，外殼溫度為175℃，最高的實(shí)際結(jié)溫。
該圖形顯示了在這些SOA條件下的安全關(guān)斷過程，波形類似于EV-Type模塊。這也意味著，在這樣的測(cè)試過程中，結(jié)溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了數(shù)據(jù)表中的最大限值。在這些情況下實(shí)現(xiàn)的安全關(guān)斷，是選擇了優(yōu)良的原材料和成熟的模塊組裝技術(shù)的結(jié)果。最后同樣重要的是，這也是所選電氣布局的結(jié)果，我將在下一張幻燈片中進(jìn)行解釋。
ED-Type模塊通常由3個(gè)并聯(lián)IGBT芯片和相應(yīng)的續(xù)流二極管組成。問題是——從熱量的角度看，怎樣才是最好的布局？熱模擬將帶來一個(gè)視角：等高線圖顯示了溫度分布與二維布局，最終熱阻為37K/kW，芯片峰值溫度差為3K，而IGBT“2”顯示為最高溫度。這是因?yàn)镮GBT1和IGBT3加熱了中間的IGBT。
還有一種布局方案，我們稱之為“直線”布局：所有的IGBT都在一側(cè)，熱阻相同。然而，峰值溫度差總體上增加了1K到4K。之前提到的IGBT1和IGBT3的“熱效應(yīng)”在這個(gè)布置中稍微突出一些。只有在模擬中，您才能通過單個(gè)IGBT來測(cè)量電流。這種情況在圖中繪制在中間和右側(cè)。
在經(jīng)典布局中，我們發(fā)現(xiàn)，IGBT1的峰值電流為250A左右，而IGBT3的峰值電流超過400A。存在著很大的峰值不均勻性，在均流中達(dá)到了30%的不平衡性。與此相反，直線布局的不平衡性顯著降低，僅為17%。實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)因數(shù)為2。熱阻相同，兩種布局之間的溫度平衡也幾乎相同！
因此，客戶將受益于直線布局。這種布局避免了特定芯片的過載情況，因此提供了更好的性能和可靠性，這在實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)證明。
通過模塊設(shè)計(jì)以及與我們的供應(yīng)商的密切合作，我們向您介紹這款ED-Type模塊：
厚2mm的低阻抗電極端子，適用于高電流應(yīng)用；
高質(zhì)量的框架，帶有堅(jiān)固的注塑連接器；
在散熱器上進(jìn)行安裝用的鉚釘；
用于高電流互連的低電阻銅鍵合線；
優(yōu)化的Al-鍵合線。；
我們的i20IGBT和二極管芯片組；
DBC-基片和預(yù)成型的銅底板實(shí)現(xiàn)與散熱器的可靠接觸。
所有這些原材料都是我們生產(chǎn)過程中必不可少的。開始是芯片和陶瓷基片的焊接。隨后將芯片進(jìn)行鋼絲粘結(jié)，焊接到底板上。然后，將外殼粘接在一起，并進(jìn)行進(jìn)一步的電線粘接。然后是使用凝膠進(jìn)行固化，最后一步是安裝頂蓋。所有模塊必須通過電氣測(cè)試和最終的外觀檢查，然后才能打包和發(fā)貨。
接下來是什么？我們正在開發(fā)ST-Type模塊，它看起來很新，有一個(gè)新的內(nèi)部設(shè)計(jì)，是的，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)帶來了主要好處。與我們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，其額定值高出25%。它可以提供更好的同等熱阻、結(jié)溫、內(nèi)部雜散電感以及低內(nèi)部阻抗，同時(shí)，也保留了我們主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的爬電距離和電氣間隙。
這些優(yōu)勢(shì)純粹基于設(shè)計(jì)和構(gòu)造，并且可以直接轉(zhuǎn)化為客戶收益：最低熱阻，意味著更好的冷卻；更低的工作溫度，因此有著更好的可靠性（或者更多的功率輸出，以便達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的可靠性）。最低的內(nèi)部雜散電感意味著更快的開關(guān)，從而降低損失，或者降低開關(guān)中的過沖電壓，減少振蕩敏感性。這就使得該模塊適用于碳化硅（SiC）的使用。最后，在600A的導(dǎo)通下，將內(nèi)部接觸阻抗引起的壓降減少近一半。因?yàn)樽钣行У拿娣e利用，我們可以提供與ED-Type封裝相同的額定電流。因此，在同類產(chǎn)品中表現(xiàn)最佳。
這個(gè)模塊目前正在開發(fā)當(dāng)中，在右下方，您可以看到一張初始照片。
在我們成為電動(dòng)汽車半導(dǎo)體供應(yīng)商的使命中，我們遵循著以下兩個(gè)模塊概念：成型IGBT模塊。這一模塊提供了卓越的抗環(huán)境沖擊保護(hù)，非常模塊化及緊湊的設(shè)計(jì)，最低的連接損耗，適用于SiC芯片。但是，這個(gè)模塊還不是一個(gè)得到廣泛普及的標(biāo)準(zhǔn)。
在另一側(cè)，您可以看到經(jīng)典的電動(dòng)車模塊，帶有針腳底板。其優(yōu)點(diǎn)是極其有效的冷卻性能，一個(gè)模塊有三相，緊湊的外殼，并且，對(duì)了，這個(gè)模塊可以和我們的嘉善首條裝配線兼容。需要提及的一些缺點(diǎn)有：密封冷卻器接口，更高的連接電阻，更不環(huán)保。但是，雖然我們不知道什么可以贏得大多數(shù)客戶的青睞，但我們會(huì)準(zhǔn)備好并同時(shí)掌握兩種技術(shù)。最后，也是很重要的一點(diǎn)，就是我們的產(chǎn)品路線圖。在第四季度，ED-Type模塊會(huì)和我們的i20芯片組一起完成最后的可靠性試驗(yàn)。
晚一些，我們將能夠提供同樣電流等級(jí)的ST-Type模塊。我們的ED-Type模塊采用標(biāo)準(zhǔn)封裝。在我們推出1200V芯片組的同時(shí)，1750V芯片組的開發(fā)也正在進(jìn)行著，這會(huì)讓我們可以在2022年底前就向我們的工業(yè)客戶提供全電壓等級(jí)的產(chǎn)品。
不久之后，預(yù)計(jì)我們的精細(xì)溝槽技術(shù)會(huì)向微溝槽技術(shù)進(jìn)行升級(jí)。這會(huì)讓模塊性能達(dá)到900A。我們正在對(duì)碳化硅芯片進(jìn)行調(diào)研，到2024年，我們計(jì)劃向我們的封裝提供芯片組。我們致力于建立工業(yè)和電動(dòng)車市場(chǎng)所需的所有東西，而在這一使命中，我們必須盡快管理市場(chǎng)進(jìn)入，并在嘉善顯示大批量的生產(chǎn)。
我們面前擺著很多讓人興奮的工作，我們也期待著與我們的供應(yīng)商、合作伙伴、客戶以及投資者進(jìn)行密切并富有成效的合作。我們的IGBT初始芯片組開發(fā)目前正在進(jìn)行當(dāng)中，其性能優(yōu)于同類型的競(jìng)爭(zhēng)器件。我們的IGBT堅(jiān)固耐用，且可控性強(qiáng)。三個(gè)主要的模塊產(chǎn)品系列目前也正在開發(fā)當(dāng)中，為客戶提供主要利益。
在我們慶祝奠基儀式的13個(gè)月之后，賽晶參加PSIC會(huì)議，并邀請(qǐng)大家參觀我們新建成的工廠。現(xiàn)在，我們擁有領(lǐng)先的工廠這一夢(mèng)想正在逐步成為現(xiàn)實(shí)——一個(gè)為工業(yè)和電動(dòng)汽車領(lǐng)域而打造的大批量產(chǎn)品制造工廠。
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