汽車半導體的電源封裝 - 現在和未來

2019-08-07 17:11 易庫易

安徽快三今天结果 www.odgmh.com 毫無疑問,汽車行業正在經歷電子革命,會產生極大的創收價值:無論是自動駕駛、信息娛樂或電氣化應用,性能、可靠性和成本都會影響每個參與方的差異化策略。 因此,對集成器件制造商IDM和外包裝配和測試OSAT供應商而言,都需要有極大的創新。


1,市場趨勢

許多環境,經濟和社會因素正在影響未來的車輛設計和動力總成選擇??悸嵌躉寂歐歐ü?,稅收優惠和充電基礎設施,動力總成戰略將在未來看到重大演變。

功率半導體是電動汽車(EVs)、混合動力電動汽車(HEVs)和插電式混合動力汽車(PHEVs)動力總成系統的關鍵部件。一些出版物指出:與汽油車平均半導體含量330美元/車相比,電動汽車半導體含量超過750美元/車。其中使用的功率器件的大部分為主逆變器,車載充電器和DC-DC轉換器。由于HEV和PHEV增加,需要復雜電力電子解決方案降低電力損失,但同時系統重量和總成本將增加。


 

目前的主力-基于硅(Si)技術的功率器件,如MOSFET和IGBT由于其技術成熟度,可制造性和已建立的供應鏈而發揮著重要作用。
通常,MOSFET覆蓋低電壓(<200V)空間,而IGBT貢獻高電平電壓(>600V)應用。
在封裝方面,功率分立封裝如晶體管外形(TO),小外形晶體管(SOT),功率四方扁平無引腳(PQFN)和TO-Leadless(TOLL)封裝在低功率(<5kW)應用中,汽車行業已經建立了良好的應用。但是,為了高功率(>50kW)子系統,模塑或基于框架的電源??槭潛匭璧?。
該產品幾個電源設備供應商的產品組合包括分立,模制和框架??榕渲萌緄タ?,半橋,全橋和三相設計,如圖所示。





隨著電動車輛(xEV)解決方案的增加,對成本的要求($/kW)和功率電子器件的功率密度(kW/Kg或kW/l)也在增加。目前的成本大致是5$/kW,而功率密度約為12kW/l。這些目標預計2035年將達到3$/ kW和60kW/l。
現有的半導體無法實現這些未來的目標設備技術,封裝技術和系統級架構。趨勢可能分化為兩條路徑:電動機和電力電子設備是共同設計的完全集成解決方案,或單個電源管理轉換器,用于管理整個車輛的電源。



2,技術范式轉變-從硅到碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)

滿足汽車和系統制造商,半導體供應商的要求需要在眾多領域提供卓越的解決方案。從半導體技術方面來說,隨著更多性能的提升,硅功率器件將繼續發揮關鍵作用。然而,預計將出現新的寬帶隙材料(wide bandgap materials),例如碳化硅(SiC)和氮化鎵(gallium nitride,GaN)在未來幾十年中將發揮更大的作用,特別是在大功率牽引逆變器和中功率方面轉換器應用。

如表1所示,這些新材料對熱和電氣性能的改善都優于傳統硅器件,但目前仍存在可制造性、集成和成本的挑戰。為了最大化寬帶隙材料的潛在優勢,需要共同開發先進的組件,轉換器拓撲和集成。



在封裝層面:高溫性能、集成度和可靠性將是推動創新的三個主要趨勢。用于高溫性能的電源分立器件和???,關鍵設計要求包括更好的熱界面材料(TIM),新穎基板和改進的封裝技術。此外,需要創新材料提供更好的機械穩定性和堅固性,以及改善粘接更好地承受擴展功率和溫度循環的機制。隨著SiC和GaN器件的廣泛使用,需要對當前的封裝解決方案進行優化,因為不能直接替換硅對應物。例如,隨著引入寬帶隙材料,預計可節省大量空間,減少大量無源元件,同時支持帶柵極驅動器和濾波器的封裝級集成解決方案。

最后,基于現有硅器件的逐步改進,當前的逆變器和轉換器架構將會看到效率的提高。為了提供更多功能,擬合策略,例如與SiC整流器或GaN晶體管的集成,以及高效的設計,

如分布式架構,有望滿足市場需求。在將來,解鎖寬帶隙器件的全部潛力,電路設計的進一步創新,頻率切換,軟切換和諧振切換將提供更高效和更高的性能功率密度解決方案。集成電動機和電源轉換器的市場趨勢將帶來幾個具有挑戰性的封裝要求:主要是在機械,熱和電氣領域與擴展溫度范圍并置時的性能。對于SiC和GaN器件,現有封裝技術產生的雜散電感導致開關損耗和雜散電容導致共模電流,限制了其性能發揮。


3,價值鏈分析

從封裝技術的角度來看,半導體行業經歷了幾個周期。例如,移動通信中生命周期較短的產品可以看到一旦封裝平臺合格,技術整合和產量將大幅增加,這樣在提出新的顛覆性技術時,封裝可能會出現大幅更換。在相比之下,汽車產品生命周期通常更長。汽車產品,一般來說,已建立在強大的Si節點和穩定的封裝上。但是,汽車電源封裝技術可能會在未來開始遵循半導體成熟度模型的縮短預計開發周期將推動汽車供應商進入市場戰略。IDM一般保持低產量和高利潤的產品用于內部生產。多年來,由于技術成熟和產量增加,企業已經戰略性地轉向OSAT。這個方法與OSAT的商業模式很好地結合 - 提供吸引人的經濟學和響應客戶的需求。同時,由于汽車等行業的快速發展,OSAT預計將與創新保持同步,提供先進的技術差異化解決方案。

OSATs能否成功創造價值,主要取決于資本投資和生產率、誘人的成本結構和定價模型。技術差異化是必要,用以解決某些專用應用空間,如變頻器和變頻器的電源??櫧盜煊?。鑒于當前電源??榻餼齜槳傅姆潛曜薊?,我們有理由相信,汽車和系統制造商將要求一定程度的標準化,允許供應商進行多源采購和承受價格壓力。IDM通常投資很大資本在前端而不是后端,可能會尋求OSAT來實現一些功率??櫓圃?。IDM,OSAT和系統制造商之間的合作對于構建電源封裝生態系統將非常重要。


4,電源封裝

為了滿足各種各樣的需求-高溫材料、更高的開關頻率、更高的可靠性和更大功率密集的解決方案-封裝技術需要大規模提升以滿足汽車行業的嚴格要求。先進的電源封裝技術需要材料集開發,結構優化和工藝創新,同樣還需要計算機輔助設計(CAD)工具和建模方法才能達到預期的效果。電源封裝的發展經歷了三次如下所述的階段:


4.1 短期(0-2年)標準化

半導體封裝行業,包括IDM和OSAT都非常分散,導致界面材料,模塑化合物和粘合機制嚴重不標準化。在短期內,可以進行一些開發來標準化最新的封裝技術,允許制造商進行多源采購。此外,將有源元件與無源元件集成在一起,提供低成本的雙面冷卻解決方案,將推動牽引逆變器應用中功率分立器和??櫚男侍嶸?。嵌入式芯片和平面互連技術的發展將降低寄生電感,從而實現高頻切換,從而滿足更高的效率指標。最后,材料和裝配過程有望發展,滿足不同應用所需的各種溫度和功率循環。


4.2 中期(3-5年)集成

接下來的改進,預計發生在將柵極驅動器,濾波器,控制器和傳感器集成到單個封裝中。

集成電源和控制組件將為供應鏈中的供應商提供差異化戰略。更高的水平實現轉換器封裝(CIP)的集成需要對材料進行大量研究處理溫度超過250℃。特別是采用高密度轉換器,CIP集成將很好地定位,以實現60kW/l的長期目標。然而,潛在的能夠進行高溫操作和抑制電磁干擾的材料組(EMI)由于高頻切換將是至關重要的。


4.3 長期(6-10年)降低成本的設計

隨著電源封裝變得更加標準化,制造具有??榛馱し庾靶酒牡繚茨?榻淶迷嚼叢餃菀?。因此,制造業產量也將轉向大批量和低成本的生產線,提供最佳性能價格指標。同樣,低成本的基板和層壓材料的系數低(<16ppm)熱膨脹(CTE)和高(>20W/mK)導熱系數成為標準產品保持寬溫度和功率循環要求。功能整合方案,如三維(3D)集成異構組件,將進一步實現優化的車輛水平熱管理,簡化了專用電力電子冷卻的要求。


資料來源:

Amkor Technology, Inc官網

yole Développement

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