“安森美陆涛：半导体革新封装技术助力汽车快速发展”

6月29日-30日，列支敦士登汽车主办的“2021中国汽车半导体产业大会”隆重举行。 此次会议主要围绕中国汽车企业核心短缺的现状、供应链国产化安全建设、车载芯片平台构建设计、自动驾驶、智能座舱行业的芯片诉求和应用实例、电力半导体在三电的应用、芯片测试和功能安全等话题展开讨论，共谋产业未来快速发展的道路， 以下是安森美电源方案部汽车零排放( zev )系统方案经理陆涛在这次大会上的发言。

安森美电源方案部汽车零排放( zev )系统程序经理陆涛

你好，我叫陆涛。 我来自安森美实验室。 今天演讲的主题一个是包装，另一个是新能源汽车。 封装和新能源汽车在可靠性方面可以找到结合点。 从世界新能源汽车的快速发展趋势来看，从年546k到年3240k，每年几乎增长50%，因此发展速度非常快。 再加上2019年和去年受疫情影响，整体增长趋势依然明显。

由于新能源汽车发展非常迅速，这就迫切要求提高功率器件的可靠性。 随着终端APP的出现，最终APP上的可信度也会提高。

从可靠性、寿命、研发的角度来看，新能源汽车也有那些要求呢？ 首先，让我们来看看价格、电力密度和效率。 年价格为5美元，之后每年减少到3美元。 按功率来说，上升了12升、15升、60升； 效率提高一个也是非常好的事情。 所以无论是效率还是功率密度，对价格都有很大的要求。

然后再看看可靠性，从寿命来看，15年不变，员工从8000小时到1.2万小时到3.6万小时，从300公里到600公里，可以看出这个要求非常高，并且在持续提高。 这样，我们怎样才能打包回应这个指控呢？ 怎样才能改善那个，达到我们的目标呢？

说到封装，这里不得不提aqg324标准，它本身就是比较电动新能源汽车功率模块的标准测试，第一是比较封装的考察。 它研究了各大诉求或功率器件故障的全方位因素，我们组合了iec上的相应条款，它不是用空制定的新标准，而是第一要与汽车新能源应用进行比较，研究它

为什么qualify功率器件和功率模块要使用aqg324？ 功率模块中有几大应力源，从温度上分为持续温度和周期性温度，它基本上占55%左右，而且振动和冲击差不多20%左右，温湿度差不多19%，后面的污染差不多能占6%左右。 可见，温度循环和温度循环占最大比例，达到55%。 基本上环境从事温度为-55度到150度，现在基本上是-40度，但诉求上还是-55比较好。 那150度够吗，看碳化硅迅速增长150度是不够的。 我希望它能达到170度或200度。 aqg324其实是综合考虑这些方面的影响而制定的一个标准。 这是欧洲的一个标准。

这是从现在的电源模块的故障模式中摘录的。 大家都在看那些故障模式吗？ 什么样的无效做法？ 左上图为功率模块的剖视图，最常见的故障模式为bond lifting、bonding crack。 右侧可以看到其脱落非常明显。 另外，在受到动力循环的冲击后，边缘基本上容易发生故障。 igbt在粘贴时有一点空的孔，因此实际上控制空的孔率。 即使控制在3%以内，也会因空的孔而导致热量上升，热量上升而无效。 这需要在测试或软件包中避免发生这些问题。

这要看cross-section是如何脱落的，将其细分分解后再看裂缝。 所以样品失效后，我们必须把它拿回去分解，看看哪里会失效？ 包装上怎么办？ 你怎么处理这个问题？

aqg324分为三大部分，第一是特征性测试。 第二，环境测试。 第三个是寿命试验。 无论是环境还是寿命，都与刚才所述的压力源基本一致，分解输入功率器件的压力源，提出这个标准。 其测试副本的温度冲击、振动、仪器冲击、功率循环(秒级/分级)基本上涵盖了故障的概率或可能性。 aqg324从副本来说就足够了。 虽然那个测试项目是这些，但是判定的基准也有开放的，没有表明什么样的东西足够，什么样的东西好的基准。 从aqg324来看，在设计芯片和封装时，可以按照其测试标准开发模块封装。

温度挑战机器的可靠性。 碳化硅的功率密度高，电流也高，因此可以看到更大的功率密度、更大的开关频率，密度也会变高。 单位安培数来说，碳化硅稍高，因此对散热系统设计的要求更高。 需要比热设计更专业的热模拟，才能设计整个系统。 那么，如何优化封装，适合APP应用，热系统的优化就变得容易了。 实际上，为了实现更大的功率输出，需要越来越多的并联连接，功率模块在内部也并联了很多芯片。

其实在热设计上可以考虑几个要点。 热分为两类，一类是静态持续的叠加。 在这个叠加热之上，因为开关有动力循环，所以叠加在上面就是动态三角形。 只是因为热阻热容量有点慢，所以实际上一直在动态变化。 这是对我们的芯片和封装的冲击，这种冲击是持续的。

目前，可靠性高、性能高的热设计软件包是趋势，首先是封装内部的连接如何？ 虽然大部分内部都是铝，但由于各个线的电流有一定的限制，要实现更大的电流输出，可能需要更大的焊线。 怎么焊接在基板上？ 现在大多是锡，但现在流行的方向是用银烧结。 其密合性会更好。 银烧结在功率半导体器件，特别是模块封装中很新奇。 虽然说是新的，并不是特别新，但是大量生产并不特别多。 现在各制造商正在使用这项技术进行开发。

最后，有几种形式。 一个是注入硅胶。 关于前面提到的湿度，环境湿度这样其实并不友好。 另一个是转模具。 我们使用的方法密封性会更好。 从安森美的角度来说，我们比较设计这些。 与电动汽车相比，传输模型和gel-filled pims是我们的重要方向。

工业上，低热阻封装是我们追求的方向。 在可靠性方面，热阻越低，搭载功率越大，系统输出电流也越大。 无论是从带子的立场，还是从胶囊化的立场，这都是创新的方向。 第一，我们会把皮带做得更大，但是价格会上涨，热阻会下降。 提高密度的话，我的皮带大一点更有利于热阻的提高。 从密封材料来说，用dbc或银烧结； 在封装结构上，我们双面水冷，双面水冷的效率比单面高。 从热设计上看，如何组合目前的封装优化设计，这也是一个方向。

从可靠性上来说，其实封装距离aqg324有一个功率周期，无论是秒级还是分级，评价的对象都不太一样，要点也不一样。 关于秒级，我们关注与粘合芯片的连接点，这个测试可以展示其性能。 分级的话更是如此，多重冲击介于芯片和下部之间。 所以，在制作可靠性高的包装时，必须考虑这两个方向。 一个是秒级测试，另一个是分级测试。 在APP应用中，实际上也需要满足这两个要求，可以创建可靠的软件包。

这是用于可靠性高的封装的技术，双面水冷为dbc和dbc的2层结构。 正如你所看到的，这里面没有bond线，所以没有脱落的可能性，没有断裂和断裂，所以后面的封装会向这个方向迅速发展。 我们现在有银烧结等很多技术。 将来，我们将把所有技术整合到下一代的功率器件中。 无论是银烧结还是基板技术的变化，都可以提高可靠性。

现在来看看ve-trac吧。 我们的设计是出于可靠性。 让我们再回顾一下。 刚才谈到了温度，这个温度相对于功率模块的应力占55%，然后是湿度19%，vibration20%。 那么，如何应对这些挑战呢？ 是新的包。

首先从温度上看，双面水冷能提高温度效率，提高热阻。 我们内部没有接合线的结构，冲击性地可以克服这个问题。 银烧结、dbc材料从这些方面保证了芯片无论在温度冲击上还是静态温度上都可以实现比较好的性能。 对于抖动冲击，如果使用直接冷却的封装，头疼的是振动，如果放置在后轴电动机上，振动会很大，所以必须用各种方法对其进行缓冲，然后通过测试。 但是，对我们的包装来说，我们非常可靠。 通过该振动·冲击可以实现15g以上的振动。

在湿度方面，我们用的是旋转模具的方法，密封性很好，比注入硅胶的方法好得多。 由于这些方面都是在考虑可靠性诉求的基础上设计的，因此模块整体的可靠性是以前流传下来的封装寿命的4倍。

特点是双面水冷。 制作系统可能需要三张。 从系统的价格来说，每千瓦的价格还很低。 因为我们是双面水冷结构，里面的一个igbt带是800安培，我们里面没有并联连接。 这样的方式可以保证其节温为175度的持续业务。 以前多个频带并联，但由于限制和热阻，175度的长时间可靠性寿命有折扣。 我们以175度持续运行，但是由于以前传来的bond线达到了其4倍的寿命，所以其可靠性非常高。

另外，这个设计是非常方便的并联连接方法，比如800安培，我们的800安培如果热设计顺利的话，大概可以达到500安培以上。 如果我再大一点的时候，比如我现在要做suv和跑车，那可能需要900安培，怎么办？ 我们使用这个方案的话可以非常简单地实现并联连接。 然后，我们也做了相应的参考设计。 参考设计首先是比较热设计，进行了散热器的优化，实现了其输出达到900安培。

这是特征，容易并联。 150千瓦的话，做300千瓦，两个加起来就能实现。 芯片带有温度传感器的过电流保护。 温度传感器集成在芯片上，可以在各个波段直接测量温度。 基本上与波段的误差在1-2度左右，这个精度非常高。 如果我们估算节温的时候用这个方法就好了。

这个模块本身有很多，首先有dnc和以前流传下来的标准软件包两种。 400v和800v有相应的产品模块，也有碳化硅。 现在，在这个市场上，无论是制造小电力、大电力还是混合动力，这个模块基本上都可以实现，能够满足你的要求。 好的是，电流密度等级从500a到800a的平台化非常方便。

这是150千瓦，三个模块，还有两个。 这两个通过堆叠的方案可以实现300kw左右。 体积上没有倍增。 这是个很好的设计。

dsb封装，这个封装在外形上和那个一样，只是功率角的出角方法不同，才能让变频器变得非常扁平。 目前正在开发的是inverter demo。 我使用的包如下。 这个包装只是角不同，前面是角弯的。 这是直角。 对igbt来说，这也许可以达到150千瓦，但由于其利益，可以做得非常平坦。 现在，我们的设计大致是7-8厘米。 如果进行优化的话，可以做到7-7.5厘米左右。 那样的话，桥牌就有可以做的好处。 特别是桥的后车轴座放着。 这时，因为厚度有限制，所以用这个很合适。

关于这个封装，将来碳化硅和igbt是共享封装，实际上是驱动兼容的，这可以实现电力输出因模块而异。 当然后面的驱动可能必须另外调整，但在控制战略上也必须调整。 400v基本上为150千瓦，碳化硅为250千瓦或更高。 目前正在对散热器进行优化。 做到这一点后，与客户共享。

非常感谢。 如果有什么问题可以稍后交流。