时代电气-轨交电气龙头汽车IGBT打开未来成长空间-210913（42页）.pdf

1、车规级 IGBT 行业具有工艺难度大、工作环境复杂、客户粘性强三大壁垒，时代电气享有明显的先发优势。(1)设计、制造和封装工艺难度大，需长期经验积累。设计方面：需保证开通关断、抗短路和导通压降三者平衡，参数优化非常特殊复杂。车规级IGBT 芯片通常在大电流、高电压、高频率的环境下工作，芯片设计需保证开通关断、抗短路能力和导通压降(控制热量)三者处于均衡状态，芯片设计与参数调整优化非常特殊复杂。芯片设计环节的主要难点有：1)终端设计实现小尺寸满足高耐压的前提下须保证其高可靠性;2)元胞设计实现高电流密度的同时须保证其较宽泛的安全工作区，要求极高的散热能力;3)元胞设计实现高电流密度的同时须保证其

2、足够的短路能力;生产制造方面：薄片容易碎裂、正面金属熔点限制导致退火温度控制难度大。IGBT 导通时可以看作导线，电流从上而下垂直穿过 IGBT，直至抵达驱动电机。1)芯片越薄，热阻越小，但极易破碎。减薄工艺：芯片越薄，电流流过的路径越短，损耗在芯片上的能量也就随之降低，整车电池续航时间越长。在此厚度的晶圆和芯片上进行后续加工，技术难度非常高，极易破碎。2)背面工艺须在低温下进行，否则易导致正面金属熔化。背面工艺：包括背面离子注入，退火激活，背面金属化等工艺步骤，由于正面金属熔点的限制与 IGBT 芯片不断减薄，这些背面工艺必须在低温下进行(不超过 450C)，否则容易导致正面金属熔化，退火激

3、活难度极大。模块封装方面：焊接和键合技术壁垒高。车用 IGBT 多为模块形式使用，模块封装结构是将半导体分立器件通过某种集成方式封装到模块内部，一个 IGBT 模块通常需要经过贴片、焊接、等离子清洗、X 光检测、键合、灌胶&固化、成型、测试、打标共 9 道工艺后才能投放到市场。其中，又以焊接和键合是模块封装技术难点，焊接方面，目前主流焊接技术软钎焊接的一致性和可靠性不高，最新的低温银烧结贴片互联工艺又具有参数难掌握、材料与设备成本高等壁垒，键合方面，目前普遍采用的键合线为铝线与铜线，铜线电阻率低、热导系数高，膨胀系数低，更适合车用高功率密度、高效散热的模块，但是铜线键合工艺的难点是需要

4、对芯片表面进行铜金属化处理，同时需要更高的超声能量，很有可能损害 IGBT 芯片本身。车规级 IGBT 的高工艺难度需要长期的经验积累才能达到良好的 know-how 水平。新能源汽车应用中往往要求大批量地生产出可靠性高、稳定性好的 IGBT 模块，其中关键环节是 IGBT 芯片和快恢复二极管芯片，其生产步骤多，使用的生产设备多，生产的组织、控制、设备调试等工作庞杂，同时需要经过长时间的经验积累，才能了解器材和材料的特性，掌握生产工艺。以贴片流程为例，就涉及到芯片位置的确定、不同材料的热膨胀系数及其特性、回流炉回流曲线及其他参数的设置等，这些生产工艺要经过长期的研发试验才能找到合适的方案。电压

5、范围由高压到低压，技术难度降低，公司产品已能满足新能源汽车的应用需求。根据电压划分，600-1200V 的 IGBT 产品主要应用于新能源汽车，动车组常用的 IGBT 电压为 3300V 和6500V，轨道交通使用电压在1700V-6500V之间的IGBT产品。相比600-1200V的新能源汽车IGBT,应用于轨道交通的高压 IGBT 技术壁垒更强，公司发展中低压 IGBT 的技术难度更低。公司研发的第五代沟槽栅 TMOS 技术，覆盖 750V-6500V 全电压等级，并开发了全系列 IGBT&FRD 芯片，可以满足新能源汽车的应用需求。(2)工作环境复杂对车规级 IGBT 的安全性、可靠性提出极高要求。车规级 IGBT 的工作温度范围广，需适应“极热”“极冷”的高低温工况;车辆在拥堵路况时常会遇到频繁启停，此时升压器、逆变器的 IGBT 模块需承受频繁启停带来的电流频繁变化;如遇山地、泥地、石子路等车况，车用 IGBT 可能会受到较大的震动和颠簸，需具备高抗震性;考虑发霉、粉尘、水、盐碱自然环境、EMC 以及有害气体侵蚀等情况，IGBT 需能适应恶劣的工作环境;一般的汽车设计寿命都在15 年或60 万公里左右，大部分车厂对车用半导体故障率要求到PPB (十亿分之一)量级，需具备长使用寿命，低故障率。