2019年07月19日 | 汽车功率半导体封装的今天和未来（前篇）

2019-07-19 来源：EEWORLD

摘要

毫无疑问，汽车工业正在经历一场电子革命。随着这种增长，投资方会有机会在增加其收益同时，为最终用户增加功能和经济价值。无论是自动驾驶、信息娱乐系统还是汽车电气化应用，性能、可靠性和成本都决定了每个玩家的差异化战略。因此，集成设备制造商(IDM)和外包组装和测试(OSAT)供应商都有巨大的创新。本文将提供一个简短概述，在电气化部分的价值创造，特别是电力半导体封装领域。

市场趋势

环境、经济和社会因素正在影响未来车辆设计和动力总成的选择。考虑到二氧化碳(CO2)排放政策、税收优惠和充电基础设施的发展，动力系统战略布局将在短期和长期内出现重大演变。功率半导体是电动汽车(EVs)、混合动力汽车(HEVs)和插电式混合动力汽车(PHEVs)动力总成系统的关键部件。据了解，与燃油车中330美元的平均半导体含量相比，每辆电动汽车的半导体含量可能超过750美元，其中大部分价值份额由主逆变器、车载充电器和DC-DC转换器的电力设备占据。随着电动汽车和电动汽车(HEV和PHEV)数量的增加，对复杂电力电子解决方案的需求将会增加，这些解决方案将减少电力损失、系统重量和总成本。

目前以硅(Si)技术为基础的功率器件如MOSFET和IGBT，由于技术成熟、可制造性和供应链的建立而发挥着重要作用。一般情况下，MOSFET覆盖低压(<200V)领域，而IGBT贡献于高压(>600V)相关的应用。在封装方面，功率离散封装如：晶体管外形封装(TO)、小外形晶体管封装(SOT)、方形扁平无引脚塑料封装(PQFN)和大电流应用(TOLL)封装，他们在低功耗(< 5kW)应用领域中得到了很好的应用。然而，对于高功率(> 50kW)子系统，需要基于成型的或框架功率模块。多个电力设备供应商的产品组合包括分立、模制和框架模块，配置如单开关、半桥、全桥和三相设计。

随着电动汽车(xEV)解决方案的增加，电力电子产品的成本($/kW)和功率密度(kW/Kg或kW/l)的要求也随之提高。目前，成本控制约为5美元/千瓦，而功率密度约为12千瓦/升。到2035年，这些成本有望达到3美元/千瓦和60千瓦/升。而现有的半导体器件技术、封装技术和系统级架构无法实现这些未来的路线图目标。这一趋势可能会分化成两条路:电动马达和电力电子协同设计的完全集成的解决方案或者单一电力管理转换器来管理整个车辆电力。

技术的迭代：SI-SiC & GaN

为了满足汽车和系统制造商的要求，半导体供应商需要在多个领域提供卓越的解决方案。从半导体技术角度来看，随着性能的提高，硅功率器件将继续发挥关键作用。因此，新型宽禁带材料如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)有望在未来几十年发挥更大的作用，特别是在大功率牵引逆变器和中等功率变换器的应用中。如表1所示，与传统硅器件相比，这些新材料提供了更好的热量和电气性能，但在可制造性、集成性和成本方面存在挑战。为了最大限度地发挥宽禁带半导体材料的潜在效益，则需要共同开发先进的元件、转换器拓扑结构和集成电路。

在封装层面上，高温性能、集成度和可靠性是推动创新的三大趋势。对于功率离散体和模块的高温性能，设计时要有更好的热界面材料(TIM)、新颖的衬底概念和改进的封装技术。此外，新材料需要不断地创新以提供更好的机械稳定性和鲁棒性，以及改进的粘合机制，从而更好地承受扩展的功率和温度循环。随着碳化硅和氮化镓器件被越来越多的普及，但由于它们不能完全替代硅器件，因此目前的封装解决方案需要进行优化。例如，随着宽禁带材料的引入和被动元件数量的减少，将显著节省空间，从而实现带有栅极驱动器和过滤器的包级集成解决方案。

与此同时，目前的逆变器和变换器体系结构将由于现有硅器件的增量改进而提高效率。为了提供进一步的功能，如集成SiC整流器或GaN晶体管的混合策略，以及如分布式架构的高效设计将有望满足市场需求。未来，为了充分挖掘宽禁带器件的潜力，将在电路设计上进一步创新，结合高频开关、软开关和谐振开关，将提供更高效、功率密度更高的解决方案。此外，将电机和电力转换器集成在一起的市场趋势将带来具有挑战性的封装要求，主要表现在机械、热能和电气性能方面的要求。对于SiC和GaN器件，电流封装技术可能会通过造成开关损耗的杂散电感和导致共模电流的寄生电容来限制性能。

总结

从趋势发展来看，SiC和GaN将是功率半导体的主力军，随着高温性能、集成度和可靠性的不断增强，汽车内部的主动、被动元件也将逐步递增。对于封装技术而言，想要跟进这些步伐，无疑要实现技术上的创新。

下一篇会着重介绍封装产业链的发展过程以及OSAT厂家Amkor的主要技术和产品，更进一步了解功率半导体封装技术的演进过程。

功率半导体 GaN SiC

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