安森美陆涛：半导体创新封装技术将助力汽车发展

（原标题：安森美陆涛：半导体创新封装技术助力汽车发展）

6月29日—30日，由盖世汽车主办的“2021中国汽车半导体产业大会” 隆重召开。本次会议主要围绕中国车企缺芯现状、供应链国产化安全建设、车载芯片平台的搭建设计、自动驾驶、智能座舱领域的芯片需求和应用案例、功率半导体在三电中的应用以及芯片测试和功能安全等话题展开讨论，共谋产业未来发展之路。下面是安森美电源方案部汽车零排放(ZEV)系统方案经理 陆涛在本次大会上的发言。

安森美电源方案部汽车零排放(ZEV)系统方案经理 陆涛

大家好，我叫陆涛，来自于安森美实验室。今天演讲的主题一个是封装，另一个是新能源汽车。封装和新能源汽车在可靠性上就可以找到结合点了。从全球新能源汽车发展趋势来看，从2015年546k到2020年3240k，每年几乎增长50%，所以发展速度非常快。除了2018，2019年以及去年受疫情影响，整体增长趋势还是非常明显的。

由于新能源汽车发展非常快，这就会倒逼功率器件提高可靠性的要求。因为终端应用上来了，最终应用器件上面的可靠性也会提升。

无论是从可靠性，寿命，还是研发的角度来看，我们来看一下新能源汽车都有哪些方面的要求？首先我们看一下成本、功率密度和效率，2017年成本是5美金，后来每年递减一直到3块钱；从功率来讲是12升，15升，60升上升；效率提升1个点也是非常好的体现了。所以无论是效率，还是功率密度，成本上都会有很大的要求。

同时再来看一下可靠性，从寿命来看，15年不变，工作从8000小时到1.2万小时到3.6万小时，300公里到600公里，可以看到这个要求是非常高的，也是一直在提升。这样，我们在封装上怎么样才能够迎合这个需求？怎样才能够改善它来实现我们的目标呢。

提到封装，这里不得不提AQG324标准，它本身就是针对电动新能源汽车功率模块的标准测试，主要是针对封装的考察。它是研究了各大需求或者功率器件失效各个方面的因素，我们把IEC上面相应的条款组合起来，它并不是凭空创出来的新标准，主要是针对汽车新能源应用，研究了各种失效把它整合起来。

我们为什么会用AQG324来qualify功率器件和功率模块？在功率模块里面有几大应力来源，在温度上分为持续温度和周期性温度，它基本上占55%左右，同时振动和冲击差不多是20%左右，温湿度大概是19%，后面污染大概能占6%左右。可以看到温度循环和温度周期循环是占最大比例，达到55%。基本上环境工作温度从-55到150度，目前基本上是-40度，但需求上-55会比较好。那150度是不是够了，如果看到碳化硅发展150度是不够的，希望它能达到170度甚至200度。AQG324其实是综合考虑了这些方面的影响创出来的一个标准——这是欧洲的一个标准。

这是从目前功率模块失效模式摘选出来的，大家看看都有哪些失效模式？是什么样的失效方法？左上图是功率模块截面图，最常见的失效模式是Bond lifting，Bonding Crack。右边可以看到它的脱落非常明显。还有经过功率循环冲击之后，基本上边缘上很容易产生失效。由于IGBT贴的时候会有一些空洞，其实会控制空洞率，即使控制在3%以内，它仍然由于空洞会造成热度的升高，热度升高导致它的失效。这就需要我们测试上或者封装上避免这些问题。

这是要看cross-section怎么脱落的，你把它细分拆开看到它的裂痕。所以样品失效我们要把它拿回去分析，看什么地方产生失效？在封装上怎么样避免？怎么解决这个问题？

AQG324分成三大部分，第一，它是特性测试。第二，环境测试。第三，寿命测试。无论是环境也好，寿命也好，它其实跟我刚才讲的应力的来源基本上是一致的，它会分析输入功率器件的应力来源来提出这个标准。可以看到它的测试内容温度冲击，振动，器械冲击，功率循环（秒级/分钟级），基本上涵盖了失效的几率或者可能性。AQG324从内容上来说是足够的，虽然它的测试项目是这些，但是判定的标准有些是开放的，并没有给出一个标准说什么样的才够，怎么样才是好。从AQG324来看，我们在设计芯片和封装的时候可以结合它的测试标准开发我们的模块封装。

那么温度对器械可靠性来说是一个挑战。碳化硅的功率密度更高一些，电流也很高，所以可以看到更大的功率密度，更大的开关频率，这就导致了密度上更高一些。从每安培上来说，由于碳化硅更贵一些，热的系统设计要求更高，针对热设计要有更加专业的热仿真才能把整个系统设计好，那怎么样优化封装使得应用的时候更加适合，热系统更容易优化。其实我们需要更多并联才能实现更大的功率输出，功率模块在内部也并联了很多芯片。

其实从热设计上来说有几个关键点是要考虑的。热分为两类，一类是静态持续的叠加，这个叠加热的上面，由于开关有功率循环，它叠加在上面是动态的三角形，只是由于热阻热容稍微慢一些，其实它是一直动态变化的，这就对我们芯片和封装是一个冲击，这个冲击是持续性的。

现在，高可靠，高性能的热设计封装是一个趋势，首先在封装内部连接是怎么做的？大部分内部是铝的，但由于单颗线电流有一定的限制，我要实现更大的电流输出，那我可能需要更大的Bond线。那怎么样焊接到基板上？目前很多是锡，现在流行的方向会用银烧结，它的贴合性会更好，银烧结在功率半导体器件，特别是模块封装是比较新颖的。说新也不是特别新，但大批量量产并不是特别多，现在各大厂商都逐渐用这个技术在开发。

最后封装形式有多种，一种是灌硅凝胶，前面讲到湿度，环境湿度对这种其实不是特别友好， 还有一种是转模，我们用的方式它的密封性会更好。从安森美角度来说，我们会针对这些进行设计。针对电动汽车， Transfer model和Gel-Filled PIMs是我们的重点方向。

从工业上来说，低热阻封装，这是我们追求的一个方向。从可靠性来说，热阻越低能承载的功率更大一些，系统输出电流也会更大。无论是从带的角度，还是封装的角度，这个都是一个创新的方向。第一，我们会把带做的更大一些，但是成本会升高，而热阻会降低。如果提升密度，我的带稍微大一些会有利于热阻提升。从封装材料来说，我会用DBC或者银烧结；在封装结构上我们是双面水冷，双面水冷效率比单面的要高。从热设计上，怎么结合现在的封装优化设计，这也是一个方向。

从可靠性上来说，其实封装从AQG324是有一个功率循环，无论是秒级，还是分钟级，它所考核的对象不太一样，重点也不一样。对于秒级它更关注于跟Bond线芯片的连接点，这个测试能体现出它的性能。如果是分钟级更，多冲击是芯片跟下部之间。所以我要做高可靠性封装的时候必须要考虑到这两个方向，一个秒级测试，一个是分钟级测试。在应用当中其实也是一样，必须要满足这两个要求才能做出一个高可靠的封装。

在高可靠性封装上所采用的技术，双面水冷它是两层结构，上面有一层DBC，下面有一层DBC。大家可以看到这里面是没有Bond线的，所以不存在脱落可能性，也没有开裂和断裂，所以后面封装都会朝着这个方向发展。我们现在还有很多技术，比如说银烧结，未来我们会把技术全部整合到下一代功率器件里面。无论是银烧结，还是衬底技术改变，都可以使可靠性提升。

现在看一下VE-Trac，我们设计是从可靠性上去设计的。再回顾一下，刚才我们讲了温度，这个温度对于功率模块应力上占到55%，然后是湿度19%，Vibration20%，那怎么样应对这些挑战？就是新的封装。

首先从温度上来看，双面水冷可以使得温度效率提升更高，热阻会提升，我们内部是不带Bond线这种结构，这样冲击上来说可以克服这个问题。银烧结，DBC材料，从这些方面就保证了芯片无论是温度的冲击上，静态温度上面都可以实现比较好的性能。相对于Vibration冲击的话，如果用直接冷却的封装都会比较头疼的地方是振动，放在后桥电机上振动是很大的，你要采用各种各样的办法来缓冲实现它通过测试。但是对于我们这个封装来说，我们这个是非常可靠，用这种做振动冲击可以实现15个G以上的振动。

从湿度上来说，由于我们用的是转模的方式，它的密封性是比较好的，比灌硅胶方式好很多。这几个点我们在设计的时候就考虑到可靠性的需求，所以整个模块做出来整体可靠性跟传统封装寿命能达到4倍。

从特性上来说，双面水冷，你要做一个系统可能要三片。从系统成本来说，每千瓦成本还是比较低的。由于我们双面水冷结构，里面一个IGBT带是800安培，我们这里面没有并联的，这种方式它的节温可以保证175度持续工作的。之前多颗带并联，由于限制和热阻，其实在175度长期可靠性寿命是打一个折扣的。我们175度持续运行仍然比传统用Bond线达到它4倍的寿命，所以它的可靠性非常高。

另外这个设计是非常方便采用并联方式，比如说800安培，我们800安培如果热设计做得好大概可以到500多安培。那如果我需要更大的时候，比如我现在要做SUV或者跑车，那它可能需要900安培怎么办？我们用这个方案就非常容易实现并联，而且我们也做了相应的参考设计。所谓参考设计主要是针对热设计，做了散热器优化，这样可以实现它的输出能达到900安培。

这是特性，它比较容易并联，如果150kW，我做300kW，仅仅两个合起来就可以实现。还有片上带着温度传感器过流保护，温度传感器是集成在芯片上，在每个带上可以直接测到温度，基本上跟带的误差1-2度左右，这个精度是非常高的。如果我们做节温估算的时候用这个方式比较好。

本身这个模块有很多，主要有两类，一类是DNC，一类是传统标准封装。400V和800V是有相应的产品模块，碳化硅我们也有，目前这个市场上无论做小功率，还是大功率，还是混合动力，基本上这个模块都可以实现，都可以达到你的要求。好的一点是电流密度等级从500A到800A使得平台化实现非常方便。

这是150千瓦，三个模块，同时还有两个，这两个是堆叠的方案可以实现300kW左右，体积上并没有成倍增加，这是比较好的设计。

DSB封装，这个封装外形上跟那个一样，仅仅是功率角出角方式不一样，它可以使得逆变器做得非常扁平。现在正在开发的是Inverter Demo，我采用的是下面这种封装，这种封装仅仅是出角不一样，前面是弯角，这个是直角，这个对于IGBT来说可能到150kW，但是用它的好处是可以做得非常扁。现在我们设计大概是7-8厘米，如果再优化可以做到7-7.5厘米左右，这样有一个好处可以做到电桥上，特别是电桥后桥座椅放着，这个时候对厚度有限制，所以用这个就非常地适合。

就这个封装，我们未来碳化硅和IGBT是共有封装，其实驱动上是兼容的，这个里面仅仅是不同的模块就可以实现功率输出不一样。当然后面的驱动可能要另外调整，控制策略上也要调整，400V基本上150kW，碳化硅是250kW，甚至更大。目前我们正在优化散热器，等这个做好之后就跟客户去分享。

非常感谢大家，如果有什么问题可以会后交流。