電子發(fā)燒友早八點訊：當(dāng)智能手機(jī)等消費類電子市場趨于平緩之后，汽車電子成為了電子產(chǎn)業(yè)關(guān)注的下一個熱點。從2016年的業(yè)界主要的幾家半導(dǎo)體廠商的年報中就可以看出，比如在2016年，恩智浦半導(dǎo)體的汽車電子產(chǎn)品營收為33.79億美元，占了其公司總營收的35.6%，英飛凌2016年的主要營收也來自于汽車電子，占了其總營收的41%;意法半導(dǎo)體的營收大頭是由汽車和分立器件產(chǎn)品部提供的，占了其總體營收的40.34%......

而且，目前各大半導(dǎo)體廠商都在積極布局，例如在消費類電子市場呼風(fēng)喚雨的高通通過并購恩智浦半導(dǎo)體的方式進(jìn)軍汽車電子市場;***的聯(lián)發(fā)科技(MediaTek)在2016年12月初宣布進(jìn)入日益成長的汽車電子市場;也有公司為了維護(hù)其市場地位，進(jìn)行了一些戰(zhàn)略性并購，像安森美并購了Fairchild，以補(bǔ)足其在中、高壓功率器件上的不足;瑞薩則通過收購Intersil鞏固其在汽車電子市場的地位。

不論汽車電子是否會真正“接棒”消費類電子市場，可以預(yù)見的是汽車產(chǎn)業(yè)正在向智能化、電子化等方向發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計汽車電子在整車成本中的占比正不斷增加，緊湊型車中占了15%、中高檔轎車中占約28%、混合動力車中更占到47%、純電動轎車中則占65%，在智能化、電子化的大趨勢下，這將會給整個半導(dǎo)體市場帶來新的活力和新的增長點。本文主要討論汽車電子中的功率電子器件目前的現(xiàn)狀，未來的發(fā)展方向，以及可能會遇到的挑戰(zhàn)和應(yīng)對策略。

功率電子器件在汽車中的發(fā)展趨勢

隨著汽車智能化、電子化的程度越來越高，對傳感器、MCU、ECU、IGBT，以及BMS等芯片的需求越來越大。無疑在這些芯片中，功率電子器件的是占絕對大頭的，那未來功率電子器件在汽車中會呈現(xiàn)怎樣的發(fā)展趨勢呢?

圖1：東芝電子(中國)有限公司技術(shù)部副高級經(jīng)理劉文鑫

英飛凌新能源汽車電力電子應(yīng)用工程師何耀華認(rèn)可劉文鑫的判斷，不過他還著重補(bǔ)充了下面幾點。

一是將來會出現(xiàn)專用的汽車級功率電子器件。他解釋說，雖然汽車級認(rèn)證的電子元器件是車廠默認(rèn)的準(zhǔn)入條件，通過汽車級認(rèn)證的產(chǎn)品有著更高的可靠性和性能，但是為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計的通用功率電子器件，已經(jīng)跟不上日新月異的新能源汽車的發(fā)展需求了，設(shè)計已經(jīng)走過初期的“將就用”的階段，精細(xì)化設(shè)計已經(jīng)成為了趨勢和必然。

二是平臺化設(shè)計。典型的汽車電子系統(tǒng)開發(fā)耗時2到3年，如果后續(xù)有更新的需求，推倒重頭開始開發(fā)，需要消耗大量開發(fā)成本和時間。如果功率電子器件能實現(xiàn)平臺化，可以明顯降低開發(fā)成本和周期。何耀華拿英飛凌的Hybridpack drive家族產(chǎn)品舉例說，“針對70Kw~150Kw平臺，前期開發(fā)可以使用Hybridpack drive pinfin版本的高性能產(chǎn)品，做到90Kw~150Kw，后續(xù)如有70Kw~90Kw需求，只需要把功率模塊更換為Hybridpack drive flat，無需更改電路和軟件。”

三是智能化和功能安全設(shè)計。功率電子傳統(tǒng)意義上是一個被動的執(zhí)行器件，接收指令后動作。何耀華認(rèn)為，將來的趨勢是不僅簡單的接收指令，還有部分判斷和保護(hù)功能，“例如在IGBT內(nèi)部增加電流和溫度傳感器，當(dāng)系統(tǒng)可能出故障時，能做初步的判斷，可以首先嘗試降低車輛輸出扭矩和速度，而不是直接關(guān)閉。在電池電壓偏高，降低功率器件開關(guān)速度，保護(hù)開關(guān)電路安全，在電池電壓正常時，做最高效開關(guān)動作。”功率器件的智能化，可以讓電子控制系統(tǒng)達(dá)到更高安全等級。

給半導(dǎo)體廠商帶來的挑戰(zhàn)

汽車應(yīng)用不同于傳統(tǒng)工業(yè)驅(qū)動應(yīng)用需求，何耀華舉例說，“大型水電站的發(fā)電機(jī)和輸配電的電力變換器的最重要特性是高可靠性和高性能，因為單臺價值高，數(shù)量少，元器件成本稍高也可以接受。但汽車應(yīng)用作為大規(guī)模量產(chǎn)的高端工業(yè)消費品，終端客戶是個人，需要更好地控制終端售價，因此，對元器件成本提出了更高的要求?！?/p> 雖然成本要嚴(yán)格控制，但最為安全相關(guān)產(chǎn)品，可靠性卻不能有半點降低。低成本和高可靠性是相互矛盾的，這個功率半導(dǎo)體廠商提出了更高的要求。

對此，安森美半導(dǎo)體中國解決方案工程中心(SEC)高級經(jīng)理陳立烽深有同感，“功率電子器件的可靠性、能效和性價比就是功率半導(dǎo)體廠商面臨的挑戰(zhàn)。”以新能源汽車電機(jī)逆變系統(tǒng)為例，為了增加續(xù)航里程，逆變器就需要非常高的效率。同時，器件也應(yīng)確保在高溫、大電流條件下工作時的高可靠性。

除了這些，東芝電子的劉文鑫認(rèn)為，對于功率半導(dǎo)體廠商來說，車載半導(dǎo)體材料的研發(fā)、工藝的改進(jìn)，以及生產(chǎn)質(zhì)量控制等方面也是一個比較大的挑戰(zhàn)。

應(yīng)對策略

面對這些挑戰(zhàn)，不同的功率半導(dǎo)體廠商有不同的應(yīng)對的策略，有的改進(jìn)其生產(chǎn)工藝、有的使用新材料，也有的通過改變封裝來應(yīng)對。

據(jù)安森美半導(dǎo)體的陳立烽介紹，為了保證大電流，高功率的功率器件的高可靠性，在器件層面，安森美半導(dǎo)體專注于新技術(shù)以減少功率器件的導(dǎo)通損耗和寄生參數(shù)，從而提高能效和增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，此外，他們還大量投資于新的先進(jìn)的封裝設(shè)計，如TO-Leadless (TOLL)、4引腳TO-247、DSC(雙面冷卻)等。相較傳統(tǒng)的封裝，這些新的封裝具有更低的熱阻、更小的寄生參數(shù)和可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可滿足汽車應(yīng)用的關(guān)鍵要求。

他同時強(qiáng)調(diào)，安森美半導(dǎo)體所有這些器件都通過AEC認(rèn)證的嚴(yán)格測試，如高溫反向偏置(HTRB)、動力循環(huán)等。陳立烽還特意提到，“我們的制造和質(zhì)量控制流程，也滿足業(yè)界可靠性和耐用性的需要?！?/p>

東芝則通過功率半導(dǎo)體的晶圓工藝及封裝類型的不斷革新來應(yīng)對挑戰(zhàn)。其低導(dǎo)通阻抗(UMOS9代)、高散熱封裝(銅連接、DSOP雙面散熱)、高集成度等特性可幫助客戶實現(xiàn)大功率負(fù)載控制器的小型化設(shè)計。

對于英飛凌的應(yīng)對策略，何耀華提到了四點。

一是，持續(xù)更新產(chǎn)品線，提供更有力的競爭產(chǎn)品。他舉例說，在國內(nèi)廣泛應(yīng)用的針對120Kw到150Kw逆變器用的功率半導(dǎo)體模塊Hybridpack2，英飛凌推出的更新版本的產(chǎn)品：HybirdPack drive，通過優(yōu)化晶圓性能和內(nèi)部封裝設(shè)計，在保持輸出功率不變的情況下，降低了30%體積，也就是提高了30%的功率密度，因為使用了更少的晶圓和降低了散熱器面積，市場競爭力也大幅提升。

二是優(yōu)化半導(dǎo)體工藝，降低成本。在多數(shù)半導(dǎo)體廠家還在用8英寸晶圓來生產(chǎn)IGBT晶片時，英飛凌是業(yè)界少數(shù)幾個采用12寸晶圓的半導(dǎo)體廠家，通過提高晶片切割的利用效率，降低IGBT晶片的成本，12英寸晶圓意味每盤待切割的晶圓數(shù)量更多，對良品率的控制要求更高，如何提高生產(chǎn)良品率也是英飛凌核心的競爭力。

三是定制針對汽車應(yīng)用的IGBT晶圓。之前IGBT晶圓設(shè)計主要輸入來源是工業(yè)應(yīng)用，例如650V和1200V的IGBT分別針對220V 和380V的交流整流輸出。英飛凌針對汽車應(yīng)用另起爐灶，針對144V的中混，336V到500V的高壓強(qiáng)混和純電動車，推出了400V和750V的晶圓，其中型號為EDT2的晶片，有著業(yè)界最高的產(chǎn)品性能，相對之前產(chǎn)品提高了20%的性能，使得更緊湊的設(shè)計成為了可能。當(dāng)然所有晶片都能滿足汽車級認(rèn)證的各相嚴(yán)苛條件。

四是大規(guī)模持續(xù)供貨能力和質(zhì)量保證。英飛凌在德國瓦爾斯泰因有2條全自動化產(chǎn)線，專門生產(chǎn)針對汽車級的功率電子IGBT模塊，能保證足夠的產(chǎn)能。全自動化產(chǎn)線，也完全避免了人為錯誤帶來的影響。各種齊全的生產(chǎn)質(zhì)量控制體系，及出廠產(chǎn)品都經(jīng)過100%覆蓋的測試，將出廠產(chǎn)品的失效率降到最低。

他同時還提到，汽車級設(shè)計和認(rèn)證體系是保證其產(chǎn)品高可靠性的保證。何耀華拿最新的HybridPack drive IGBT模塊舉例，“該模塊從設(shè)計概念，到產(chǎn)品從產(chǎn)線生產(chǎn)，經(jīng)歷了3年時間，其中18個月是做可靠性驗證研發(fā)，可靠性驗證研發(fā)的主要工作是，用各種極限測試做加速老化驗證，例如其中一個測試叫做溫度循環(huán)測試，需要將IGBT模塊從50度在5秒內(nèi)加熱到150度，經(jīng)歷60,000次而不出現(xiàn)壽命衰減，震動測試的標(biāo)準(zhǔn)也從5g提高到了20g，還能在短時間內(nèi)(11毫秒)承受50g的沖擊。同時，在2008年生產(chǎn)的HybridPack1模塊，在車輛運行200,000公里后，拆解逆變器后將功率模塊送到英飛凌做分析，基本完好無損，能通過出廠測試流程。”

給汽車工程師的建議

在英飛凌的何耀華看來，汽車電子工程師在挑選功率電子器件時，需要關(guān)注以下技術(shù)特性。

首先，無容置疑的是需要選擇通過汽車級認(rèn)證的功率電子器件，從器件選型開始就要保證系統(tǒng)的可靠性;

其次，通過綜合的系統(tǒng)設(shè)計來優(yōu)化功率器件的選型和降低成本。例如通過配合系統(tǒng)設(shè)計和工況設(shè)計，根據(jù)車輛運行工況優(yōu)化控制軟件，降低功率器件的需求 ，提高系統(tǒng)性能和降低成本;

三是，電氣參數(shù)的設(shè)計和選型。這需要考慮極限工作狀況下電氣參數(shù)的影響，并通過仿真和實驗驗證。

最后一點也是最重要的可靠性設(shè)計。需要做失效分析和耐久試驗。

他的建議是在設(shè)計之初就考慮可靠性和壽命，通過仿真和實驗驗證，而且需要合理設(shè)計可靠性參數(shù)，應(yīng)避免過高設(shè)計余量帶來過高的成本。

安森美的陳立烽則建議，工程師挑選功率電子器件時，首要考量的是電氣性能，包括導(dǎo)通和開關(guān)性能、安全工作區(qū)(SOA)等。雖然業(yè)界有很多新技術(shù)和新器件。例如，氮化鎵(GaN) MOSFET具有更低的開關(guān)損耗，但工程師更應(yīng)關(guān)注該新器件的驅(qū)動器技術(shù)。

另一個需要評估的因素是寄生參數(shù)，因為這將導(dǎo)致對器件額外的應(yīng)力，和影響EMI性能。

此外，工程師還應(yīng)關(guān)注熱設(shè)計和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因為在汽車應(yīng)用中，工作條件非常惡劣，所以工程師應(yīng)考慮所有條件以確保系統(tǒng)能在最壞的情況下工作。

“工程師應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，對功率器件的過電流能力、溫升參數(shù)及開關(guān)噪聲等細(xì)節(jié)方面需要事先計算和評估，以避免后期方案的測試遇到重大的技術(shù)困難。”東芝的劉文鑫這樣對工程師建議。

他拿為新能源汽車選擇功率電子器件舉例，與傳統(tǒng)汽車相比，新能源汽車的能源效率和行駛里程的問題更為突出，因此，在選擇器件時，不但要關(guān)注器件的性能和可靠性，更要對器件的靜態(tài)功耗、低工作電壓，以及單位重量等參數(shù)嚴(yán)格把關(guān)。

聲明：電子發(fā)燒友網(wǎng)轉(zhuǎn)載作品均盡可能注明出處，該作品所有人的一切權(quán)利均不因本站轉(zhuǎn)載而轉(zhuǎn)移。作者如不同意轉(zhuǎn)載，即請通知本站予以刪除或改正。轉(zhuǎn)載的作品可能在標(biāo)題或內(nèi)容上或許有所改動。