SiC的最大应用场景是BEV

在今天的汽车市场,SiC已经成为最具活力的技术之一,设计导入机会很多,其渗透率正在快速增长。那么,在EV/HEV系统中,SiC的最大应用场景在哪里?Yole认为,不同电气化水平的车型,包括轻度混合动力电动汽车(MHEV)、全混合动力电动汽车(HEV)和插电式混合动力汽车(PHEV)、零排放电池电动汽车(BEV)和燃料电池电动汽车(FCEV)对SiC的需求有所不同。

过去,人们预计向全电动汽车的过渡速度会相当缓慢和渐进。这主要是由于电池成本高,行驶里程短。近几年,由于电池技术的快速发展、制造成本的降低、供应链的整合等诸多因素,BEV的发展正在提速。

汽车电气化发展进程

BEV被认为是汽车电气化的终极目标,因此意味着可持续的商机。而且其中的牵引逆变器、蓄电池和电动机是体现不同主机厂车辆技术性能的三个关键区别因素。特别是逆变器效率的提高可以降低从电池到电机的能量损耗,延长行驶里程,直接影响车辆的性能和用户的驾驶体验。

现在,主机厂在功率模块的设计和制造方面越来越激进。但由于开发高性能、低制造成本的功率模块封装对主机厂来说有一定难度,一些主机厂更倾向于直接采用上游厂商提供的SiC MOSFET模块。

因此,SiC技术应用成功的关键因素之一是供应链安全。在最初特斯拉Model 3、Model S和Model X相继采用SiC后,不仅展示了SiC在牵引逆变器中的全部性能优势,也缩小了硅和宽带隙之间的鸿沟。自那时起,汽车用SiC器件的发展速度不断加快,主逆变器和车载充电器设计成倍增加,搭载SiC的新车型也开始增多。

2020年,作为特斯拉竞争对手的主机厂都搭载了全SiC模块的主逆变器:比亚迪推出了纯电动车车型“汉”,Lucid推出了Lucid Air。韩国现代、奥迪、大众、戴姆勒和通用汽车也都在研发SiC解决方案。

随着SiC器件的成功应用,为了满足日益增长的需求,领先衬底制造商Cree、SiCrystal(ROHM)、II-VI等在晶体生长方面进行了大量投资,而几乎所有领先的设备制造商都收购或加速了晶圆技术的内部增长。2019-2020年间,领先的SiC器件制造商ST、英飞凌和安森美半导体(ON Semiconductor)与头部晶圆和SiC晶体供应商Cree|Wolfspeed、SiCrystal和GTAT等签署了长期合作协议。

涉足车用SiC的上下游厂商

自从800V电池系统电动汽车问世以来,1200V SiC越来越受到人们的关注。经过几年的发展,针对牵引逆变器应用的1200V SiC MOSFET技术已成为众多器件制造商的优先选择。下一个重点是开发合适的封装,以充分利用SiC MOSFET的附加价值。

“面向制造的设计”是关键

在电动汽车中,发动机舱的可用空间非常有限,因此,电动汽车中的电动传动系要更小,还要有更高的功率密度。这就需要用新的封装来提高器件性能。事实上,在更高的温度下,标准塑封可能会在不同层面上出现可靠性问题,包括其中的引线键合、基板到封装的连接。此外,为了在竞争激烈的市场中保持竞争力,功率模块制造商必须在高可靠性和保持成本效益之间取得平衡。

事实上,具有最高性能的解决方案并不一定是客户需要的,功率模块材料的选择和设计是影响器件性能的基础,而“面向制造的设计”是降低成本的关键。

由于电动汽车仍然是一个相对较新的业务领域,许多参与者都在通过高性能来实现产品的差异化。这通常是通过使用专有模块设计来实现的,即采用能够实现高性能的封装解决方案,以保证根据性能要求将模块更好地集成到最终系统中。

从应用看,在实际封装中可以发现不同的趋势,包括:转移模塑(transfer molding)结构、塑料外壳、金属外壳;基板上Pin-Fin散热器;基板组件集成设计;单面或双面冷却技术;SiN-AMB(氮化硅-活性金属钎焊)基板;银烧结片芯连接、丝网印刷、锡基连接。事实上,SiC片芯、银烧结片芯连接和SiN-AMB陶瓷基板已成为最高性能、最高可靠性的电动汽车牵引逆变器SiC功率模块的“金三角”。

在封装方面,模压双面冷却模块以散热器封装取代了塑料外壳,使逆变器更加紧凑和高度模块化。例如日立2019年为奥迪e-tron和保时捷Taycan开发的双面冷却功率模块以集成基板为金属外壳,采用直接水冷型双面冷却实现了逆变器的小型化。

SiC模块封装设计因车而异

无独有偶,英飞凌和丰田也开发了双面冷却解决方案。其模块的不同不仅是开关的数量,而且材料也不一样,包括引线框架、侧壁(Spacer)和片芯连接材料。

此外,基板对散热有很大影响;铜已被广泛用作引线框架材料,而新型集成散热片Pin Fin、AMB陶瓷基板正日益受到重视。此外,焊料在提高模块可靠性方面的作用不可小觑,特别是在更高的温度下。银烧结的使用越来越普遍,无论是在片芯下还是在基板下都有使用。

散热系统需要创新

为了减少连接引起的电感,人们发现粗线连接已经落伍,铜夹或更宽的连接更具优势。在灌封胶方面,三菱J1系列650V大功率汽车模块使用了新的导热环氧树脂,而不是传统的硅胶。环氧树脂的散热性比较好,具有更好的耐高温特性。

竞争将降低SiC成本

我们现在可以自信地说,SiC将不断与低成本且成熟的硅直接竞争,而硅本身就是一个移动的靶子。可以预期,在最初关注高性能和高可靠性之后,SiC的开发重点将转向降低成本,以更好地与硅基IGBT功率模块进行竞争。

在封装方面,功率模块正朝着使用高性能材料和减少层数、尺寸和接口,同时保持电气、热和机械特性的方向发展。未来将会有更多的创新设计和封装解决方案出现,特别是可以通过集成节约成本的解决方案。

鉴于SiC在电动汽车和混合动力汽车逆变器和充电基础设施、光伏(PV)逆变器和电源中的应用日渐增加,英飞凌、Wolfspeed、ST、ROHM、三菱电机和许多其他老牌硅公司都提供了SiC组合。

在生态系统方面,最有力的竞争者之一是Wolfspeed。这家垂直整合的SiC公司从衬底材料到SiC器件生产环环相扣,为汽车主机厂赢得了多项设计导入。最近,该公司加大了投资。计划于2022年在纽约开设新的制造工厂,进一步完善生态系统。

在这个令人兴奋的市场,我们将见证功率电子行业一个非凡SiC时代的开启!