【2020电动汽车百人会】英飞凌科技秦继峰：车用功率半导体技术方面的发展

1月10-12日，2020中国电动汽车百人会论坛在钓鱼台国宾馆隆重召开。本次论坛围绕“把握形势 聚焦转型 引领创新”主题，邀请政府有关部门和汽车、能源、交通、城市、通讯等领域的行业机构和领先企业代表，就行业、企业、政策的转型与创新展开深度研讨。以下是英飞凌科技（中国）有限公司大中华区汽车电子事业部市场负责人，秦继峰在本次论坛上的发言：

英飞凌科技（中国）有限公司大中华区汽车电子事业部市场负责人 秦继峰

尊敬的各位来宾，尊敬的各位汽车界的同仁们，大家早上好！我是秦继峰。

本次会议我主要从市场和应用的角度，和大家分享英飞凌在车用功率半导体技术方面的发展。

首先，为什么车用功率半导体在电气化的过程中特别重要呢？我看了百人会的会议宣传材料，里面也说的很清楚了。我们还是用数据来说话，传统的动力总成的车，车里面的半导体价值平均大概是350美金，功率半导体大概占了20%，就是70美金，而随着电气化的发展，以纯电动车为例子，里面半导体的价值增加了一倍，就是700美金，而其中大概一半都是功率半导体。也就是说汽车在电气化的过程中，增量的半导体市场绝大部分都在功率半导体方面，这也是为什么车用功率半导体是一个关键的话题。

接下来我给大家分享几个方向：第一，总结一下车用功率半导体目前市场的情况。第二，探讨一下第三代功率半导体，以及功率半导体的封装以后的发展趋势，第三，在发展过程中的机遇和挑战。

首先看一看电动车里面有哪些应用需要用到功率半导体。如果看左边的这个图，功率半导体应用主要分三类：第一类是主逆变器，就是直接驱动马达、大功率，这里面主要用到大功率的IGBT模块；第二类是和充电相关的应用，比如车载充电器(OBC)、直流电压换器（DC/DC）。第三类是辅助类的应用，这里面包括了PTC加热器、空调压缩机、水泵、油泵等，这里面主要用的是IGBT分立封装的解决方案。

右边这张图针对这三类应用给出了相应的主流器件和功率等级的范围，大家可以看到这里面的趋势。如果我们现在看，从前道晶圆的角度来说，硅的解决方案300V以下还是MOSFET， 600V以上是IGBT。而第三代半导体的解决方案，特别是碳化硅，已经逐渐开始在主逆变器、OBC、DC/DC、压缩机里面开始应用了。接下来我会从前道（晶圆）、后道（封装）两个方面跟大家分享。

针对晶圆的技术，英飞凌对以后市场的预测大致如下： （如PPT）左上角这张图，我们认为，一直到2025年硅还是占了主导地位。而碳化硅现在整个市场大概是在1%到3%，随着碳化硅技术的发展，到2025年大概1/5的市场会使用碳化硅的方案，考虑到新能源车的量将会越来越多，所以这个市场是非常可观的。

如果我们专门来看看碳化硅的市场，封装形式有裸片、有分立器件、还有模块。那么碳化硅的市场以后哪一种封装会更有优势呢？我们看到现在大部分产品这个市场上还是用碳化硅二极管和碳化硅MOSFET的方案，而到了2025年大部分的市场会被碳化硅的模块占据，这是为什么呢？ 这里我先卖一个小关子，希望我后面的分享可以给大家解答这个问题。

了解了硅和碳化硅的市场，下面的问题就是，碳化硅和硅相比有哪些技术优势？首先是功率密度的提高：汽车里面空间是非常小的，所以功率密度的提高是以后的发展趋势，碳化硅器件的特性可以不仅使功率半导体的封装相比较硅的方案做得更小，而且使与功率器件配套的无源器件和散热器都做得更小。其次是系统效率的提高：比如说用在主逆变器里面，用碳化硅模块和IGBT模块相比可以提高大概5%的系统效率，那对于整车厂就有两个选择：第一，用相同的电池容量，续航里程可以高5%；第二，如果设计相同的续航里程，电池容量可以减5%。比如Model 3大概是80度的电池，5%就是4度电，目前按照每度电大概人民币700-1000元来算的话，节约下来的成本还是比较可观的，当然这里面还要考虑到碳化硅模块会比IGBT贵一些，以后这个平衡点怎么找是碳化硅模块什么时候进入市场的关键。最后碳化硅还有一个重要的优势，就是非常适合高压的应用。我们看到一些主流车厂已经把车的电池电压提高到了800V，以后的高压直流充电桩里面也是用的高压，在这些高压的应用里，以后碳化硅，特别是高压的1200V的碳化硅比硅会更有优势。

这里讲的碳化硅这么多优点，大家可能会想为什么现在的碳化硅只有2%、3%的份额？我们来看下面我们总结的碳化硅产业链成功的四个因素：衬底、器件、产品组合、系统。

第一，衬底和晶圆。碳化硅晶圆的生长比硅慢一些，碳化硅比较硬，切割稍微困难一点。比较重要的是，目前碳化硅主流的晶圆尺寸还是6寸，而硅已经到了12寸。这是什么概念？如果一片6寸的晶圆能切割成100个裸片，那放到8寸相同的尺寸的裸片就可以有180个，放到12寸那就是405个，而晶圆尺寸从小变大造成的成本增加小于对应的裸片数量的增长，这样每一个裸片的成本随着晶圆尺寸的增长而下降。我们预计碳化硅的模块2022、2023年以后会是慢慢起量的一个时间点。第二， 器件，英飞凌使用了业界领先的基于沟槽的结构，能更好地提升碳化硅产品的性能。

而接下来的两点针对碳化硅和硅都适用，裸片生产出来后，需要合适的后道封装的配合，才能体现整个产品的最优价值。下面我们把视角从前端（裸片和晶圆）移到后端（封装），看看封装发展的趋势。

这里列了一下英飞凌目前提供的一些比较主流的封装，包括分立器件封装， 三相模块封装， 双面水冷封装，Easy 半桥模块封装。为什么有这么多的封装？这是由不同的使用场景来决定的。 以主逆变器应用为例子：我们看到分立器件是业界比较成熟的，用在功率比较小的应用，A00、A0级的电动车用得比较多。 我们看到之前补贴退坡造成A00在市场的占比有所下降，市场转向了需要更高功率的A级以上的车。当功率上去以后，如果用分立器件，就需要更多的并联，并联多，问题就出来了，怎么保证每一个并联器件的一致性是一个关键问题。所以大功率的车会更适合三相模块的应用。双面水冷的模块，也是以后业界的一个趋势，双面水冷具备更好的散热性，能提高功率密度，比较适合在空间要求比较小，比如混合动力汽车的应用。英飞凌还有Easy封装的半桥模块，给用户提供更灵活的解决方案。

不同的使用场景需要多样化的封装方式，那未来发展的趋势是什么样的呢？我们来看看下一页的例子。英飞凌在2019年做了一件很重要的事， 那就是我们成功把HybridPACKTM Drive系列的产品推向了市场。我借用这个例子给大家讲一讲以后封装的趋势： 那就是产品组合易延展、热性能提升、减少寄生电感、以及更高的集成度。

首先产品组合的易延展性是很重要的。这样可以帮助开发者更快速简单的设计配套的系统方案，而无需改变系统的设计就能实现不同的系统功率的需求，比如散热器或者水冷系统。我们推向市场的四个HybridPACKTM Drive系列的产品， 里面的晶圆都是一样的，而如果把模块拆开来看，就可以看出，在封装上我们使用不同的外壳连接器, 陶瓷板和底基板组合来实现不同的性能需求。

用外壳连接器来举例，模块有些场景需要焊接到外部，有些需要用螺丝接上，有些需要加一个外置电流传感器， 目前我们有三种外壳连接器的设计来满足客户的不同需求。

英飞凌也在开发下一代的功率半导体模块，我们会继续保持易延展性的设计理念，同时也在减小寄生电感和更好的集成方面做文章，比如英飞凌正在研究把外部的电流传感器集成到模块内部的可行性。同时英飞凌也在和我们的合作伙伴在系统层面做更高的集成，我们和欧洲的PCB解决方案供应商Schweizer Electronic一起推出了Chip Embedding的技术，目前已经有欧洲主流Tier 1使用该系统方案在48V的启停系统中。

除了车用功率半导体自身的技术发展，汽车的电动化进程还需要其他芯片的配合。比如说用来感知的传感器芯片，用来计算和控制的微控制器，用来供电的电源管理芯片，通信芯片以及保障信息安全的安全芯片等等。英飞凌拥有广泛的产品组合来助力汽车电气化的发展。 我们正在设计下一代专门针对碳化硅的预驱动芯片，英飞凌的车用32位AURIXTM微控制器能和功率半导体一起提供系统级达到ASIL-D功能安全的解决方案。

技术创新离不开产业的协作。英飞凌作为芯片供应商，希望能和产业界的同仁一起紧密合作，共同助力汽车电动化的美好明天。

谢谢大家！

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