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碳化硅专家最新交流纪要–20220830

2022-09-01未知机构立***
碳化硅专家最新交流纪要–20220830

Q:SiC目前上车情况?未来时间表和量的估计?使用SiC车企情况:寻求多家供应商;未来自己做封装,将各家供应商芯片兼容在自研封装模块里;对SiC需求量很大,2024年800V车型基本标配SiC作为主驱。1)上车情况与车的等级、车企定位有关。基本是头部玩家在做,大部分车型为20万-30万元,包括蔚来的新平台、理想的Whale和Shark平台、小鹏H93之后的几代都会用SiC。北汽、广汽、长安汽车等传统车企对SiC需求不大,只是预研项目,和SiC目前成本较高有关。2)使用SiC的头部玩家想自己做封装,目前车主要用供应商的模块和芯片做集成方案,以HybridPACK封装为主,如蔚来的ET7,小鹏的G9。24年下半年-25年上半年预计含Tier1在内的大量车企适用于800V-900V平台的自研SiC模块将会SOP,如蔚来、小鹏、理想、Tier1的汇川、吉利、广汽、赛力斯、华为等都在和安森美谈合作:安森美提供1200VSiC芯片,模块封装由车企或合作代工厂负责,出货量预测较大,一年为50万辆车及以上。这几家车企也在布局芯片,力图锁定2024-2030年的SiC供应。3)目前能提供车规级主驱SiC模块的供应商很少:只有英飞凌、安森美、ST、丹佛斯和赛米控,Wolfspeed能供一半,但国内选择不多;国产的中车、斯达也有类似的HybridPACK模块。4)400V平台HybridPACK使用较主流,也有少量塑封模块;800V平台中每家都倾向用自研的塑封模块,因为传统灌胶模块在可靠性、杂散电感、工作温度、兼容性等电热学特性方面有局限,塑封模块将是下一代主流,但缺点是每家路线图不同,车企供应链风险大,基本每家车企都有2-3家供应商,HybridPACK为兼容性方案,调配控制参数即可,而2-3家供应商的塑封模块需要2-3套设计方案,因此车企希望自己定义模块/接口,供应商只提供芯片,只用一套方案的同时保证供应链安全。5)总体对SiC需求量很大,2024年800V车型基本标配SiC作为主驱。400V下,SiC和IGBT性能区别不大;750V下,IGBT的Vcesat(饱和电压)和SwitchingLoss(开关损耗)还可以;800V下,器件比400V需要高一倍的耐压,厚度要求更高;1200V下,为保证导通能力需要将离子注入浓度提高数倍,开关损耗很大或者器件要很厚,IGBT性能会下降很多,SiC的RDS(on)、开关/导通损耗和低压相差不大,性能好很多。双驱系统的高/低端车都只用一个SiC逆变器,四驱会用SiC主驱配合永磁电机,IGBT和感应电机作为辅驱。主驱优化方向是提升效率、里程,辅驱是控制成本,因为运行一般只需主驱的180-220kw单电机,150-300kw的辅驱大部分情况下不会启动,性能好坏对整体里程影响不大。实测数据显示:400V下,SiC代替IGBT效率能提高3.5%-4%,800V下能提升7%-8%。Q:各家车企使用SiC的具体车型?1)蔚来:目前为2.9平台,对应ET7车型;在做3.9平台,对应ET5、ES7等车型;下一代为Titan和Thunder两个4.0平台。Titan主要做800V的SUV,是主品牌,副品牌阿尔卑斯面向大众市场,目标价约3万美元或更低,和Model3一个等级,对成本控制很严格。蔚来自己做封装另一个原因是控制成本,因为自研封装可以兼容Titan和Thunder平台,走量很大,规划peakyear能达100万辆车,对应300多万个塑封半桥模块,每个模块约含12个芯片,产能需求很大。2)小鹏:H93和G9后的下一代平台都会用SiC,G9之后也都会沿用800V系统,意味着1200V的SiC需求量会越来越大。3)理想:L9之后,Whale和Shark平台是主品牌的延续,做高端、大型的SUV、MPV。和小鹏类似,一部分产能由Tier1如汇川、联电、华为、博格华纳和采埃孚等供应IGBT和SiC主驱,同时逐步提高内部在模块、模块集成的逆变器、主驱系统上的产能。蔚小理三家准备/已经和Wolfspeed、安森美签订长期供货协议,SiC需求和衬底需求增幅都很大,产能比较紧缺。Q:SiC未来需求情况?SiC需求:22-24年随新车型发布迅速增长,产能增长更慢,缺口会增大且没有缓解趋势,因此车企希望有战略合作而不是市场买卖。每家都有战略合作计划:ST的雅典娜计划,安森美的LTSA(Long-termSupplyAgreement),英飞凌和Wolfspeed都有长期共同扩建产能的计划。由客户提供未来5年的车型和需求,安森美根据需求投产线,客户会分担一部分,更重要的是提供每年需要的量,在3-5年周期中根据客户(尤其是核心客户)的需求投资产能来保证供给。Q:未来由灌胶模块转为塑封模块的原因?由灌胶模块转为塑封模块是因为塑封方案具有五方面优势。 1)可靠性:传统灌胶模块需用铝线和焊接技术,基材一般,并使用果冻胶凝胶形式。传统IGBT的模式套用于SiC做HybridPACK,相同电流下SiC面积远小于IGBT。电流要通过键合线,IGBT上可以打很多线,线均电流密度小;SiC面积很小,线数目有限,线均电流密度大很多,线温高且发热多,长时间老化线体会脱落造成连接问题和模块损伤,用Clip(条带键合)的形式能将可靠性提高10倍左右。传统HybridPACK模块用回流焊形式,将IGBT放入温箱里加热融化焊锡,之后把芯片放在基板上做模片固定。从Si基到SiC基,杨氏模量和CTE变化很大,SiC边角压力和热膨胀系数会大四倍,温升会产生裂痕、分层、空洞,热阻增加,结温升高,可靠性下降。解决方法:改变模块封装形式,铝线换成铜线或铜排,以提高可靠性和载流能力;焊料换成银烧结,热阻降低有利于增强散热能力,多孔纳米银材料可吸收热膨胀带来的张力,可靠性和热管理能力会提升。灌胶是液体形式,震动时对键合线产生惯性力,拉扯会造成疲劳和老化,灌胶过程中还可能有气泡、湿气和水汽,高温高湿度下果冻胶模块容易损坏,塑封模块对湿气控制、散热能力会好很多。下一代SiC封装的革新:在于封装材料和形式的变化,因此带来了塑封路线图。博格华纳、德尔福、特斯拉和ST的T-PACK基本不用果冻胶,做小的塑封器件;赛米控、丹佛斯的单/双面直接水冷的塑封模块都是下一代流行趋势;之前用单管并联的阳光、赛力斯、吉利都有可能用类特斯拉方案取代之前TO-247单管方案。2)性能(杂散电感等);SiC为单极性载流子,开关速度很快可大幅降低开关损耗,但DIDT和DVDT很大,会产生杂散电感、寄生电容等,IGBT开关速度慢,影响不大。汽车/工业用62mm主流模块在功率回路中通过DBC、键合线和连接引起较大的杂散电感,配合SiC高速开关的特性会产生强震荡,一会影响可靠性,二会产生杂音。抑制震荡的方法:降低杂散电感。震荡源于能量的来回释放,包括电感和电容间能量互相转化。一可以把键合线换成Clip(条带键合),利用互感或一些设计降低电感,二是改变模块的设计,三是改变连接处,特斯拉的T-PACK用激光焊,相比传统打螺丝方案能大幅降低连接处的寄生杂散电感。HybridPACK的杂散电感约30-40nH,塑封模块可低于5nH,可以适应SiC的高速运行。3)工作温度;4)性价比;5)市场需求。Q:使用SiC能增加还是减少外围电容和电感消耗量?肯定会减小,但减小空间不大。主驱目前用10k开关频率,若升级到16k体积会减小40%左右,(各行业纪要+v:hjk985211)改进不明显;OBC用了SiC之后电感、电容会大幅降低,6.6kWSi基OBC可以用SiC做到11kw,等效体积降低很多,SiC高频特性在OBC上应用很广,带来薄膜电容很大节约,汽车主驱变化不大。Q:详细介绍一下AMD基板和DBC基板?DBC陶瓷基板绝缘性强,由铜加陶瓷加铜组成,主要是陶瓷不一样。AMD和DBC工艺不同,对终端用户来讲,本质区别是AMD把DBC中间的陶瓷基板从氧化铝换成氮化硅/氮化铝,热阻低很多,散热能力好很多:相同芯片热阻降低10%-20%,电流能力能提升10%-20%。SiC芯片很贵,尽量少用SiC芯片,改变热阻来提升电流能力,氧化铝要用8颗芯片,换成氮化硅6/7颗芯片能做到。基板会多花钱,整个模块可以降本。因此大家希望用更好的材料匹配SiC的应用,最大限度提升性能。Q:主机厂做封装壁垒大吗?斯达、时代电气原本封装技术转到SiC有优势吗?车企有点激进,内卷严重,电机、电控没有新的东西,他们就想布局上、下游。下游做整车集成,上游更多面向原材料和半导体,因为门槛最低和供应问题想做封装,但其实并不好做。蔚来、小鹏、理想都和传统封装厂/半导体厂商合作:三安光电和理想联合建厂;小鹏想找斯达合作,但斯达和科锐、Wolfspeed闹掰了,现在在找中芯集成做,小鹏负责提供芯片和模块设计,中芯负责提供代工线;蔚来也想扶植小的封装厂。车企都想做但能力不强,目前设计和整车需求自己做,代工交给第三方,技术成熟后可能自己做产线。吉利和芯聚能、芯越能,基本半导体和广汽、汇川和宏微都是类似模式,都找现有半导体厂商合作。 Q:汽车主驱、OBC的SiC模块价格水平?1)高端车OBC的SiC模块约120-150美元,用十几颗SiCMOS,每颗7-8美元,还用一些IGBT,加起来是一百多美元;2)主推的主驱SiC模块方案用HybridPACK,一个模块用48颗芯片,考虑到良率和用材较好,如DBC的氮化硅、银烧结,成本很贵,售价约600-700美元,能供220kW的电机。3)OBC和主驱是使用SiC最多的两部分,加起来约800美元。Q:HybridPACK模块所用48颗芯片是多大安培的?单颗芯片RDS(on)为13-15mΩ,对应100A左右。整个SiC模块对应600-700A,最高能做到800A。主流的芯片售价约22-25美分/平方毫米,一般大小为25平方毫米,一颗芯片售价约5-6美元。Q:主驱模块对应芯片、衬底价值量分布占比?芯片占60%-70%。以1200VSiCMOS为例,衬底价值量占约50%;外延占20%;Frontend(前道)占10%-20%;封装占30%。衬底占比最大,也是供应链短板和缺货点。封装成本也包括良率,国产封装厂、纯封装代工厂最大问题在于良率难以控制,折合成本就很高,SiC芯片贵,因此良率比IGBT重要很多。Q:能提供有效衬底产能的有哪些合格供应商?Wolfspeed产能最大,占9成;安森美去年收购了GTAT作为内部供应商做垂直整合,约占1成,还有其他供应商在评估,但都是海外供应商。目前衬底还没有国产合格供应商,其产能、良率、一致性都和国际大厂区别较大。安森美以前欠缺的是前端从碳粉、硅粉做到晶柱的过程,GTAT做长晶炉设备,系统成熟能很快扩产,还有一定的SiC产能和经验,刚好互补。预计2025年占比从1:9变成9:1,Wolfspeed供应量基本稳定,相当于GTAT的供应量要增加数倍。Q:2023-2025年全市场SiC车型的量有多少?每家车企预测都很大,几乎都是30-50万辆/年,有的达到100万辆/年。但合理估计,欧美约10家主流厂商,每家约20-30万辆/年,总计200-400万辆/年。一个晶圆能做6-7辆车,因此需晶圆产能约30万片/年。预计2025年汽车市场的需求为70万片,2030年约200万片。Q:怎么看规划的晶圆年产能远多于30万片?所谓产能都是国产的,离真正能用的还有很大差别。安森美、ST产能扩张计划是根据核心客户的需求来决定的。Q:SiC上车的认证流程和主要指标?和IGBT的指标差不多,先做benchtest(系统级测试),再做DV、PV测试,以及冬测、夏测,之后做上车测试,没有特别针对SiC的测试,也没有特别针对外延和衬底的认证,只要芯片过了AQG324、AEC-Q101等就认为风险可控。Q:车规认证的周期大概多久?以ET7为例,从2020年6月立项开始做,到2022年Q1SOP,大约需要1.5-2年。DV、PV测试都是3-6个月,前期设计约3个月,上车后冬测、夏测约3-6个月,期间有一些重叠,最后爬产、产线升级整理和供应