汽车功率电子产品正成为半导体行业的关键驱动因素之一。这些电子产品包括功率元器件，是支撑新型电动汽车续航里程达到至少200英里的核心部件。

虽然智能手机的出货量远高于汽车(2015年为14亿部，汽车销量为8,800万辆)，但汽车的半导体零件含量却高得多。汽车功率IC稳健增长，2015-2020年该行业的年复合增长率预计将达8%[3]。尤其是电池驱动的电动汽车在该行业成为强劲增长推动力，2015年5月Teardown.com针对宝马i3电动车的报告显示，该车型物料清单中包含100多个电源相关芯片。

与遵循摩尔定律不断缩小尺寸的先进逻辑晶体管不同，功率元器件FET通常运用更老的技术节点，使用200毫米(和更小的)硅片。然而，功率元器件在过去的几十年中不断发展和升级。例如，较厚的PVD铝镀层(3-10微米)必须沉积在功率元器件的正面，以实现散热并提高电学性能。如果没有正确沉积，厚铝层容易出现晶须和错位，导致灾难性的后果。应用材料公司的EnduraPVDHDR高速沉积铝反应腔器可确保尽可能减少此类缺陷，并使沉积速率较其他与之竞争的技术高50%以上。

此外，5微米至150微米以上的厚外延硅片，进行复杂的掺杂以后，能够实现低电阻(Rds)、较高的关断电阻(Roff)和更快的开关速度。

与传统外延反应腔相比，应用材料公司新推出的CenturaPronto?ATMepi外延反应腔可提高生长速度30%以上，化学品消耗量减少25%，缩短了清洁时间，降低了设备的拥有成本。该系统表现出卓越的晶片内均匀性和电阻率，可满足先进功率元器件需求。

半导体薄膜堆层的结构变化，例如将栅极结构从平面(横向器件)转换成沟道结构(垂直器件)，使得绝缘栅双极晶体管(IGBT)能够以更低的损耗率实现更快的开关速度。类似地，从多层外延技术转向深沟槽填充工艺亦能大幅提升超结MOSFET(SJM)的性能。

蚀刻工艺需要一些改进和调整，以适应这些方案，其中包括更高的深宽比结构。经改进后的外延硅膜和注入掺杂分布也能增强产品性能。

功率元器件制造商不断精益求精。公开资料显示日立的高导电性IGBT采用单独的浮动P层，以提高栅极可控性和接通电压。ABB半导体在沟槽栅下构建P型柱状注入，以产生超结效应，从而达到更快的开关速度。

通过减薄晶片厚度，可有效减少高速开关的存储电荷。富士电机最近研发出漂移层更薄、沟槽间距更小、电场终止层更强的第七代IGBT。

然而，专家们纷纷意识到，硅基器件的各项性能已接近极限。功率元器件由于受到硅材料本身的限制，每一次性能的提升仅能带来些许改进。

宽禁带功率元器件

功率IC产业在寻找新的宽禁带(WBG)材料，使半导体性能提升到全新的水平。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)是当前的首选材料，两者均有一定的优势及劣势。作为半导体复合材料，他们具有更大的禁带宽度和击穿场强，制成的功率元器件具有硅材料无法匹敌的性能。他们被广泛认为将引领下一代功率元器件，开启半导体时代大变革。图1显示了SiC和GaN在终端市场应用的一般电压范围。

汽车功率半导体器件的发展趋势

功率半导体器件最早都是由晶闸管后来变成GTO到MOSFET，到现在用得比较多的IGBT器件。IGBT器件跟传统的器件相比，主要是驱动比较简单，同时损耗比较小，比较适合用于牵引传动包括电机控制器等。IGBT器件包括原来讲的功率半导体器件，都被誉为传统系统，在高铁里一样，把它称之为“心脏”。它主要起到能量传输和能量的点的转换，是电机控制系统的CPU。

目前电动汽车器件大概占到控制器总成本的30%左右，目前在国内市场上用的电机控制器芯片基本由外国公司提供。

就控制器技术发展来说，第一阶段是单个模块，到第二阶段有些定制，现在慢慢进入第三阶段，采用双面冷却集成，发展到最后不管是旋转电池、吸热用电池，还是未来冷补电池，可能会把控制器和电机集成到一起去。

现在IGBT发展到第二阶段中间这一块，第三阶段双面结合的正在研究过程中，发展很快即将会推出。

目前，国际上面绝大部分公司汽车用的IGBT器件都是定制的，国内基本采用比较标准的封装形式。下一步估计碳化硅由于它有很多的优越性将会被用到汽车上面，现在由于它量不是很大，再加上成本还是很高，目前在汽车上面应用还是有点困难。

第二部分想汇报一下株洲所这几年关于器件开发做的工作。

株洲所1959年成立，长期从事电驱动系统，口号是“把高铁的技术应用到电动汽车上面来”。最核心的是1964年开始研究的晶闸管，到2008年收购英国Dynex之后，进入IGBT。到2014年开始建8英寸线，2015年建成，现在已经从650伏到6500伏，全系列IGBT将进入市场，并且在去年已经批量出口到印度。

从并购以来，这几年由最早的Dynex平面栅技术到现在高性能沟槽栅芯片技术，我们全面掌握，这为下一步汽车级IGBT开发奠定了非常好的基础。

针对电动汽车应用来说，目前已经开发了三款，包括750V/200A、1200V/200A、750V/300A，300A是双面焊的，后面会介绍到，今天也带来了，有兴趣大家可以看一看，总体性能无论关闸性能还是过载能力，都达到了国际上的领先水平。

建立了完整的8英寸IGBT生产线，从芯片设计、制造和封装都是自己完成的，采用精细化的沟槽设计后，对产品性能有非常好的提升。

这条生产线是世界上第二条8英寸的IGBT生产线，第一条是英国的德夫林建在马来西亚。目前形成的能力是每年10万片芯片，大概30万IGBT，按原来的封装形式是这样的。

功率半导体器件从未来满足用户需求，现在已经可以提供第一代采用平面栅标准模块，到第二代双面沟槽栅，包括同件建核的，包括平面双面焊的，根据用户需求可以提供。

整个工艺在这时间关系不具体介绍，如果大家有兴趣也欢迎去株洲看一看。

从功率组件角度，通用IGBT建了生产线，从这可以看到，框的这块采用双面焊，把控制平台和整个器件集中到一起，这样也便于整车企业应用，相对比较简单。并且功率密度由原来的每升10-20千瓦，最高提到24-25千瓦。

这是功率半导体组件的建设情况。

采用双面冷却之后，对散热的效率有很大的提升，特别是现在采用智能，把驱动系统和器械结合在一起以后，更加可以提高整个驱动器电机控制器的安全性能。

这是最新批量生产两种型号的产品，第一种型号是额定功率60千瓦，峰值功率到120千瓦，还有额定功率85千瓦，峰值功率125千瓦，功率密度到24L，重量可以看到前面是5.4公斤，后面是5.6公斤，今天把样品带到现场来了。

这是关于功率半导体组件，这是最新的，左下角图可以看到，器械都已经集中到一起，已经不是原来单个IGBT模块的概念，是变流器的概念。

这是下一代正在开发的碳化硅，正在建设生产线，预计今年6、7月份这条生产线会建成。并且现在碳化硅采用IGBT和碳化硅二极管反变量二极管混合型，1500伏的器械已经在地铁上得到批量应用。

下一步发展规划。

关于IGBT在现在铝工业基础上，下一步第一通过沟槽栅精细技术提高功率技术；第二采用同功率损耗，降低控制器的重量；第三通过开发智能节能芯片，对整个系统是一个健康管理。下一步过渡到碳化硅上面去。

目前产品规划，今年开始将推出IGBT功率组件这个产品，到2020年，希望碳化硅的功率模块会推向市场。

【相关信息】新能源汽车功率器件的自动功率循环及热测试

近来，全国范围内的重度空气污染越来越严重，改善空气质量的呼声越来越高，新能源汽车自然成为热议的汽车焦点。虽然政府大力推广新能源汽车，然而由于新能源车上功率器件的使用寿命以及性能稳定性等问题，其发展遇到了很大的阻力。

针对功率器件的使用寿命及性能稳定性，传统测试方式需要先确定器件发生故障的时间范围，然后，在该时间范围内进行一系列的功率循环、再转移到其他设备进行诊断，如此反复，直到功率器件因内部结构损坏而发生故障，以此过程持续的时间作为其使用寿命预估的参考数据。这种方式不仅耗时长，也容易错过器件发生故障的时间点。

用户并不希望错过器件随时可能发生故障的任何一个时刻，而且希望能够对多个样品在同一平台下实时进行功率循环及热测试，以省时且确保数据的可信性；如果测试数据能够直接用于热设计仿真则更好，例如直接导入到热仿真软件FloTHERM以标定和校验其热学模型。

国际标准化组织、JEDEC固态技术协会制定了一系列与半导体特性相关的测试标准，其中JEDEC JESD51-1的静态热测试法、JEDEC JESD51-14瞬态热界面法测试结壳热阻RTHJC等，明确规定了功率器件的结温、热阻的测量方法。这些标准可以完美地解决上述需求。

那么，这些热测试标准又是如何实现的呢？

• K系数测试：建立结温与电压之间的关系

在器件本身的发热可忽略的情况下，将器件置于温度可控的恒温环境中，通过测量不同温度环境下的电压，得到温度-电压校准曲线，其斜率即为K系数。

• 结温测试

（1）对器件加载恒定的大电流，使结温升高直至热平衡状态；

（2）在1μs内将加热电流快速切换到测量用的小电流；

（3）在结温下降过程中，实时连续采集PN结的电压，直到新的热平衡状态；

（4）利用K系数将电压换算成温度，得到PN结的降温曲线，分析后处理即可得到结温。

• 结构函数

对PN结的降温曲线进行数学计算，可得器件的结构函数，其热阻、热容值的变化情况包含了器件内外热流路径的结构信息。

结构函数是热容—热阻曲线，曲线上平坦的区域代表器件内部热阻大、热容小的结构，陡峭的区域代表器件内部热阻小、热容大的结构在结构函数的末端，其值趋向于一条垂直的渐近线，此时代表热流传到了空气层。由于空气的体积无穷大，因此热容也就无穷大。从原点到这条渐近线之间的热阻值就是PN结到空气环境的热阻RJA。

恒润科技的工程师表示，利用结构函数可以识别器件内部的结构：

• 功率循环测试

将典型载荷谱加载到功率器件上，通过监测功率循环过程中的结构函数，即可及时获知其性能衰退情况，而根据发生衰退时的循环数则能够预测其使用寿命。

应用案例

在25℃的水冷环境温度下，给某IGBT加一恒定功率（25A、8V）循环（持续加热3s，然后冷却10s），使得结温在25℃至125℃范围内循环波动，监测此过程中IGBT的降温曲线，并实施解析得到其结构函数。

在运行了15000次循环之后，被测IGBT的结构函数发生显著变化，显示已经发生故障，分析获知其栅极氧化层损坏导致失效。

上述热测试及功率循环分析等现在完全可以采用恒润科技带来的功率器件自动功率循环及热测试平台——POWER TESTER 1500A自动进行。

POWER TESTER 1500A由美国Mentor Graphics公司研发，是迄今为止市面上唯一一款集成了功率循环和热瞬态测试功能的产品，并且通过其独创的结构函数分析功能，可以实时的提供故障原因的诊断数据。

POWER TESTER 1500A可以同时测量工作电流500安培的三个功率器件，三个通道联用则可以测量1500安培的一个功率器件，因此可用于汽车、半导体、能源等行业中，对MOSFET、IGBT、功率二极管、LED等电力电子设备进行热测试、功率循环测试及使用寿命预估。