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丁荣军:未来很长时间内 硅和碳化硅企业将并存

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网易汽车6月30日报道

当前,能源、互联网、人工智能等领域正在进行深刻变革,受此影响,汽车产业不断向“低碳化、网联化、智能化”发展,新能源汽车与智能网联汽车将相互支撑协同发展。

6月28日-30日,“2023国际新能源智能网联汽车创新生态大会”在浙江瑞安举行。大会围绕新能源智能网联汽车产业前沿技术、科技创新成果、汽车供应链创新发展与生态体系建设等方面深度探讨汽车产业技术变革,重塑汽车核心供应链新格局,引领全球汽车产业创新发展。

会上,中国工程院院士、中国中车首席科学家 丁荣军发表了主题演讲,他表示,从芯片关键技术这个角度来说,最近几年,汽车产业的不断发展对芯片产业促进是非常快的,反过来,因为芯片的技术快速成熟对整个汽车电驱动系统也起到了很大的促进作用。“我认为在未来很长时间内,硅和碳化硅的两种企业将并存,碳化硅的未来会不会被金刚参数图片)石、氮化钾替代也是很难说。”

以下为嘉宾演讲实录:

各位同行,大家上午好!很高兴今天有这个机会在这里跟大家一起交流我这个团队就在新能源汽车功率半导体和相关技术方面所开展的工作跟大家作一个汇报和交流,我主要想讲三个部分的内容,第一个是电驱动需求的角度,因为副理事长说了,我们自己的电动汽车快速发展市场占有率越来越大。从技术路线角度来说,大家知道有纯电和混动这两种并行,当然随着电池技术的快速发展,未来以纯电动为主,有的地方混合动力还有特定场合的应用。

从渗透率的角度,我们国家现在新能源,汽车之间发展确实很快,你看去年我们整个的新能源汽车的渗透率达到25%,现在超过全球的平均水平,对于整个电动汽车产业最近几年,特别是去年开始进入到爆发期,在这种背景需求下,对于新能源汽车跟传统汽车相比,整个电驱动系统是一个非常关键系统,在这种背景下,电驱动系统要求越来越高,高压化,集成化,分布式,轻量化,从整车到电驱动分别对我们的体积、功率密度提出了很高的要求。从高压化的角度来说,过去大家都知道我们现在新能源车的整个电压在400V左右,现在达到800V,有的希望提高到1200V,从系统角度来说,确实没有问题,这里面更多属于安全性问题。

集成化的角度,最早的时候都是风力系统,后来变成三合一,现在提出多合一,甚至六合一,希望把整个传动系统,包括DC/DC都放在一起,我觉得计算机控制技术和人工智能技术的快速发展,这些即将成为现实,并且很快面向市场化阶段。整车的功率器件的性能要求越来越高,功率器件作为整个电驱动系统里面最核心的关键器件,他的技术水平的提升对整个系统未来技术水平的发展起到很关键的作用。

应该说,现代电动汽车从我搞功率半导体的团队来说,我认为汽车对功率半导体的要求是最高的,(PPT如图)从整个性能和要求来说,更关键的是他要求整个电驱动系统未来有一个很高的功率密度,很高的开关频率,很高的可靠性,加上未来电压很高,但是还有两个很低的低损耗,特别是低成本,对整个汽车的研究来说提出了很高的难度。大家知道所有的器械功率半导体器作为一种电驱动系统里面的一个核心器件,他不断地要去权衡这里面的利弊。我老跟他们举个例子说,聋子的话,他眼睛一定是很好的,那么瞎子他的耳朵有点很好的,但是反过来说作为一个器件,我如果如何去把这三者之间矛盾协调到一个最佳,让它满足汽车需求,这就是我们整个从技术这个角度要做的。所以对于硅企业来说,1982年美国公司GE提出IGBT芯片到现在40年的时间经历了7代,现在为了适应汽车的要求,他开始向精细沟槽、超薄、镍导、高气温这些方向的发展。精细沟槽实际上也是为了适合汽车的开高开关频率,时间关系我就不细讲了。

另外一个就是为了降低打通损耗,超薄技术让硅片,我们现在汽车使用的硅片批量化大概在75个微米,也就是说,这么薄的东西,希望越薄越好,越弱了,它整个损耗越低,对整个电驱动来说性能化更佳。另外,镍导从使用的角度来说,未来希望集成度更高,把反面类二极管直接做到芯片里面去,对用户整个使用方面来说更加方便。

另外是高结温,因为功率半导体硅,我们搞传动系统的时候是125度,最近几年通过我们的努力,批量推广达到175度,有望在今年年底我们把结温达到200度,跟现在的碳化硅的功率半导体器件结温差不多,让整个半导体体积更小,可靠性更高。

对于碳化硅,最近几年大家不断做碳化硅,对碳化硅的器件多说几句,为什么在高档车上推广,因为碳化硅的器件目前的成本比较高,高的原因有两个原因,第一,它中间有一个工艺,叫做扩散,扩散过程,硅片可以100片,碳化硅只能5片,硅片100片进去有95片左右是有效的,碳化硅现在为止基本为5片进去,大概只有2-3片是有效的,出来以后是好的,它的成品率很低,所以这影响了碳化硅器件未来批量化过程,尽管大家在这方面一直在努力,但是市场化推广起来对汽车来说又是有影响,从整个结构角度来说,尽管器件从产业化成本角度还说存在问题,但是从未来整个技术发展角度,大家一直在做,寄希望于未来能够为汽车行业做一点贡献。另外大尺寸,现在使用14寸和6英寸,未来能不能通过8把英寸做大以后降低成本,另外一个就是薄片技术是为了降低损耗。另外还有一个是高质量的栅氧技术,这是碳化硅所特有的一个技术需求,这一块大家也是在做,希望未来打通,电阻能够降低。

小结一下,从芯片关键技术这个角度来说,最近几年不断发展,我是认为汽车产业对芯片产业促进是非常快的,但是反过来,因为芯片的技术快速成熟对整个汽车电驱动系统起到很大的促进作用。但是未来硅和碳化硅,我个人认为在很长时间内两种企业并存,碳化硅的未来会不会被金刚石、氮化钾替代也是很难说。

除了芯片技术以外,实际上面对于整个车外界的车国际的模块封装其实还是很关键的。其实过去我们开始搞芯片的人都对本身芯片这个研究得很透,后来我们发现正在应用中间影响产品质量的话,封装技术是很关键的。

那么在封装这个角度,我们希望是高密密度高可靠性,高性价比,那么针对三高,我们在这里面就在封装这个领域又做了很多的工作,第一是热管理,芯片的工作温度有多高有多低,大家搞这个系统希望在工作的时候尽可能它的温度变化不要太大,比如说,你整个系统是120度,或者是130度都可以,甚至140度都可以,千万不要在80和150度波动太大,这样对芯片的寿命影响非常大。另外是从均流角度怎么降低线路的电感,让整个均流技术达到最优,使整个芯片的寿命和电驱动的系统提升比较好。

另外是界面互联,如果温度变化太高,里面有焊锡,焊点随着温度的变化发生变动,影响到整个芯片的寿命。另外就是紧凑化的集成技术,现代汽车使用的芯片和其他所有行业的芯片不一样,汽车为了满足自己的需求,是各种各样结构都有。(PPT如图)我们提供芯片不同的封装,为了满足用户的需求都能提供。

最后,我想要简单跟大家说一下发展,根据摩尔定律,功率半导体器件发展越来越快,实际上面我一直认为经过这几年慢慢发展速度会越来越慢,因为它的很多技术很多的性能可以是已经发展到了极致,随着材料技术的发展,我相信芯片技术得到进一步的上升,因为有需求,会促使人们不断去做研究。未来汽车功率器件应该向汽车高性能充电长续航方向来做贡献。因为这个是可能刚刚前面在一起,我们还在说现在新能源车影响到发展的一个很大的原因,是充电时间太长,如果电池哪一天发明一种材料,既有物理的化学性能,充电的物理性能就可以,放电的时候化学性能,未来新能源汽车发展很快,我相信人类一定能够找到一种兼有物理和化学材料,来促进新能源发展。

我的汇报就到这里,谢谢大家!

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