德凯宜特提供客户可靠度与品质的一站式服务与解决方案,在电动车等高功率元件的领域都有深厚经验,也积极投入宽能隙元件可靠度测试的研究与拟订。

德凯宜特零组件工程部实验室经理陈冠玮(Max Chen)受到EETimes Taiwan邀请联合专访,分享宽能隙元件可靠度测试专业经验以及对未来趋势的看法。

 


本文引用自《EETimes Taiwan》并于《电子工程专辑》杂志2022年7月号,原文请点此处

节能减碳这个全球关注的大议题催生电动车(EV)的出现,并使电动车成为近几年驱动车市成长的主要动力。虽然电动车看似环保,但其使用的电力来源与内部系统的电力效率,却也成为受人诟病的问题,因此电动车相关电力系统发展业者、元件商,无不致力提高电动车的能源转换效率、提高系统功率…等,甚至在电动车外的基础设施——充电桩、充电站…等也朝高功率、高压、快充的方向发展。

而这些趋势凸显了现有矽元件的不足,进而带动宽能隙(WBG)半导体的发展,预计至2025年宽能隙功率元件应用于混合动力车(HEV)/电动车市场规模可达14亿美元。

目前在电动车应用中,宽成隙半导体中的碳化矽(SiC)、氮化镓(GaN)已受到产业相当的瞩目。它们可让电动车实现更好的持续性与可靠性、更快的充电能力,以及提高行驶里程…等;而为进一步解除市场的疑虑,电动车电池系统/电源相关子系统也开始朝高压迈进,可望为宽能隙元件带来更多机会。

SiC普及率持续攀升 GaN仍如新参者

从目前的电动车架构来看,SiC正在越来越多地被采用,业者纷纷指出,特别是在车载充电器(OBC)、高低压DC-DC转换器,以及牵引逆变器中,SiC都能发挥比矽基元件更好的作用。德州仪器(TI)系统应用工程经理杨斐谈到,相较于传统的矽金属氧化物半导体场效应电晶体(MOSFET),SiC和GaN等宽能隙元件可提高功率密度和效率,还能提高切换频率进而改善系统效率,并让电力电子转换器实现更高的功率密度。

因此,电动车与混合动力车中的牵引逆变器、OBC和高压到低压DC-DC转换器已经开始由SiC和GaN逐渐取代矽绝缘闸双极性电晶体(Si IGBT)或MOSFET。如高效率牵引逆变器系统已经采SiC MOSFET,借以增加电动车的行驶里程。

英飞凌(Infineon)汽车电子事业部大中华区资深市场经理高金萍举例说明,在牵引逆变器方面,采用SiC可提升电池利用率超过5%、更高功率密度可缩减系统尺寸、轻载情况下具有更低导通损耗、比矽基IGBT更低的开关损耗,以及对冷却要求较低,所需被动元件更少,可进而降低系统成本。强茂(PANJIT)则指出,SiC由于其卓越的开关速度、在更高温度下可靠运作…等显著优势,加上电动车电池电压不断提高,透过SiC将可打造高效、高可靠性和延长里程的电动车电池系统。

而在电动车之外的基础设施中,现在也能看到SiC的身影。 Nexperia表示,藉由出色的导热能力与易实现高电压的特性,SiC大量地被使用在高电压及高功率电力电子的相关应用,例如动力马达与充电桩。

根据市调单位Strategy Analytics的统计,预计到2025年车载功率半导体将达46亿欧元的市场规模,年复合成长率(CAGR)高达30%。其中,SiC的渗透率也将从2020年的17%,快速成长到2025年的30%。由此可见,SiC在全球新能源车,尤其是电动车应用拥有相当灿烂的前景。

Yole Développement也针对SiC的市场做出预测,至2025年,SiC的年营收成长率将达50%,创造超过30亿美元的市场规模;其中,车用领域将是促成SiC元件蓬勃发展的最大动力。

SiC在车用市场,尤其是电动车相关应用,拥有亮眼的发展态势,那么GaN呢?事实上,目前GaN主要的应用市场,是以消费性电子为大宗,在电动车上的应用才刚萌芽。 Nexperia指出,GaN易操作在高频率的特性,使其也逐渐在OBC、48V~12V的DC-DC转换器等应用中被导入,以协助这些系统在缩小体积的设计下,也可以得到高效率的转换结果。

太克科技(Tektronix)台湾与东协区域市场经理陈川迅则认为,虽然目前SiC和GaN多用于电动车的功率转换系统,不过,GaN在射频、5G和雷达应用中也得到了广泛采用,且具备连网功能的电动车即可透过这些内建GaN的射频应用系统来提高安全性和更智慧的通讯。

德凯宜特(DEKRA iST)零组件工程部实验室经理陈冠玮指出,除了上述提到的应用之外,在车载充电器,透过智慧化功率模组,动态调节充电时电压或电流参数,未来也可运用SiC MOSFET或GaN Power,对于SiC、GaN来说,都是很好的机会。

技术难题有解方

宽能隙半导体凭借其众多优势,在电动车中开始取代矽基功率元件,但也由于其特性,也为电动车可使用宽能隙元件的系统,增加了设计的难度。高金萍表示,相较于传统的矽材料,以SiC和GaN为代表的宽能隙半导体材料,具备更大的能隙宽度、更高的临界场强,使基于这两种材料制作的功率半导体具有耐高压、低导通电阻、寄生参数小、开关速度快等优异特性,尤其适合对高温、高功率、高压、高频及抗辐射等恶劣条件要求较高的应用。

不过,这些优异的特性,以及恶劣的应用条件,对元件和系统的设计也会带来相应的挑战:

高温:晶片及封装都需要拥有在高温下持续运作的能力;
高压:元件封装材料选择、爬电间距设计,以及测试验证等方面提出更高的要求;
高效:低损耗带来的更高的电流、功率密度,对晶片及封装的散热带来新的挑战;
高可靠性:电动车应用会对新技术的导入提出更高的品质要求,例如闸氧可靠性等。
杨斐指出,对车载OBC系统来说,由于切换频率提高,宽能隙元件可以达到更高的密度,这种情况会对磁性设计构成一些挑战;同时,随着尺寸缩小,热流密度提高,热设计也变得更具有挑战性。

陈冠玮认为,由于宽能隙元件未来会快速运用于动力模组或车载充电器上,所以其寿命预估即相当重要。依照国际规范AQG-324要求,动态的测试不再是test to pass而是使用test to fail方式,找到失效的弱点进而改善,即可获得可参考的寿命推估。

此外,温度控制对功率元件来说也是相当重要的一环。因此,在验证前需要量测准确的热阻数值,并获取实际操作时的接面温度(Junction temperature),让产品运作在指定且可控的温度范围内。执行中若有异常也会透过即时监控电性参数立即停止试验,并保护产品防止烧毁,以利于后续分析异常原因,进一步协助客户的找到产品最佳可靠度水准,提升产品竞争力。


从宽能隙元件应用在电动车体内部的环境来看,Nexperia认为,由于车体内部是较高温及高湿度的环境,这对矽或宽能隙半导体来说,电气特性容易产生不可预期的变化,进而导致功能失效。更重要的是,若此半导体又是与安全相关的零件,当其失效时,将对驾驶、乘客造成安全上的疑虑。而宽能隙元件常常使用在跟安全相关的系统上,如电池充放电、动力马达运转、变速器…等,因此元件的可靠性验证将格外重要。

再从测试验证的角度思考,陈川迅表示,电源系统设计人员在转向SiC时需要考虑的一些问题包括:测试设备是否能够准确测量SiC系统中的快速开关动态?如何准确最佳化闸极驱动性能和盲区时间?共模暂态会影响测量的准确性吗?看到的振铃是真实的,还是探棒负载响应的结果?要解决这些问题对工程师来说是一项艰巨的任务。

除了解决这些问题外,还得想办法提升所有这些讯号的准确可见性,以便可以及时做出正确的设计决策。陈川迅强调,增加设计容许度和过度设计只会推高成本并降低性能,使用正确的测量设备可以使一切变得不同。

宽能隙半导体拥有比矽基元件更优秀的特性,然水能载舟,亦能覆舟,从上述业者们提到的新挑战可发现,电动车设计工程师若无「三两三」又如何攻克宽能隙半导体这座「山」?为协助设计师顺利导入宽能隙半导体,宽能隙半导体供应商、量测仪器等相关业者也使出浑身解数,以期可让电动车功率相关系统顺利转向宽能隙半导体。

高金萍表示,在高温和高压的方面,英飞凌基于超过40年的汽车系统应用经验,进行耐高温高压材料选型,最佳化设计,同时会采用更加严苛的测试方法来验证产品,确保产品符合车规应用。

此外,SiC在带来更低的损耗的同时,更高的快关速度会带来较大的di/dt和dv/dt尖峰,将衍生出系统EMC的设计挑战,同时也会对其他的配套的元件带来更高的抗干扰的需求。为此,英飞凌也同步研发了下一代矽和SiC相容的预驱晶片以进一步更好的支援SiC的应用。

针对宽能隙元件产品,Nexperia除了进行基于AEC-Q101的验证外,还延长1,000小时的可靠性,亦即通过总共2,000小时可靠性验证;不仅如此,透过制程最佳化,Nexperia让宽能隙产品的产出达到「zero delamination」。如此一来,不论处于如何严苛的环境下,都可以安心使用宽能隙元件产品。

杨斐分享,德州仪器与磁性制造和热介面材料制造伙伴合作,共同探究符合成本效益的一些系统解决方案。在GaN产品封装设计中,德州仪器采用顶部冷却封装,将有助于GaN元件组装到水冷板,并发挥更好的热性能。此外,德州仪器在GaN封装内整合闸极干燥机,并在软切换拓扑中为MHz工作频率减少切换损耗。

强茂则是因应各项新产品开发,设立专职市场应用工程团队来执行各项新产品在各种应用中的测试和验证,主要内容有元件效率比较、系统效率模拟、系统现场测试除错、最佳化电路版设计和技术支援等。

在测试方面,陈川迅说明,使用适当的工具进行测试很重要,这样设计人员才能正确地设计、开发和整合到最终应用产品中,而太克产品组合解决方案在此发挥着关键作用。例如隔离探测系统提供非常适合闸极测量需求的浮动、非接地差动探测体验;高解析度混合讯号示波器(MSO)适合在存在更高电压的情况下测试小电压;高压SMU仪器可准确的特性量测关键的直流参数,以最佳化使用SiC、GaN或任何其他快速开关的矽功率元件等技术的电力电子拓扑架构…等。

针对宽能隙元件的相关认证,德凯宜特会依照国际上通用的AQG-324或AEC-Q101等国际规范要求进行,并提供完整的车用可靠度试验。包括静态及动态的功率元件参数量测与产品异常分析,以加速产品验证并缩短碜品上市时程。

产能不受限

近两年受到全球新冠肺炎(COVID-19)疫情的影响,半导体元件短缺的情况相当严重,尤其车用半导体元件严峻的缺货问题,甚至导致车厂无法正常开工。这股半导体短缺的风潮是否也影响了宽能隙元件的产能及供货?

透过为了确保供应的韧性,英飞凌透过广泛的供应商和不同合作伙伴在双边层面上展开合作。除了2018年收购Siltectra取得冷切割(Cold split)技术,透过大幅减少SiC生产过程中的原材料损耗来提高生产力,增加竞争优势外,英飞凌也正全力扩充产能。高金萍举例,英飞凌位于奥地利菲拉赫的300mm晶圆厂已于2021年底投产,将可大幅扩充矽基产品的产能,进而为宽能隙产品提供更大的产能空间。

此外,英飞凌也与GT Advanced Technologies、昭和电工(Showa Denko K.K.)及Cree等签订供应长约。如此一来,英飞凌将可获得更多的基材,以满足日益成长的SiC产品需求。

强茂认为,SiC产品产能最主要受限于SiC长晶及磊晶。因此,强茂已经陆续开发第二家、第三家长晶及磊晶供应商来稳定生产,并朝6吋、8吋晶圆迈进,以提高SiC产品产出。 Nexperia坦言,产能的高低波动与太多因素相关,包括是否为策略伙伴、签长约、地缘关系,以及政治因素…等。站在服务客户的立场,Nexperia会积极与合作厂商争取产能。

陈冠玮则从不同的想法出发,他表示,倘若在初期验证阶段,即能找到宽能隙元件的最佳可靠度水准,进而提高生产效率,相信在产能的配给上也是一个解决之道。

带动其他元件一并受惠

因为电动车不同于燃油车的动力架构,使得宽能隙元件可在其中大出风头,也由于宽能隙元件被导入电动车中,连带也让其他元件跟着受惠。从车辆电气化延伸出来的新应用来分析,Nexperia说明,因为电动车动力是从电池而非燃油,衍生出宽能隙半导体的机会,而车辆电气化后,许多车内设备的电子化便如雨后春笋般应运而生,从萤幕、按键、先进驾驶辅助系统(ADAS)、雷达/光达(LiDAR)侦测…等,可以说整台车仿佛是一个行车电脑,更不用说未来的自动驾驶、V2X应用等对通讯元件的需求。

这些应用需求,将带动车辆导入更多包括小功率的二极体、电晶体、逻辑元件,到大功率的Si MOSFET,以及SiGe二极体…等符合AEC-Q101标准的元件。

陈冠玮表示,宽能矽半导体的出现,带动电动车周边半导体元件的发展动能,整台车像是在奔跑的精密电脑,驱使相关的电子元件需求量大增,例如MCU、MPU、FPGA。随着自动驾驶、整车智慧化持续的发展,电动车动力传动模组、充电器等相关产品需求量也会跟着增加,相关元件即有发挥空间。

高金萍强调,在未来几年中,不同的半导体技术将并存于市场中,在不同的应用场景中分别具有特殊的优势。例如在牵引逆变器中,基于不同的里程、效率和成本考量,SiC和矽基IGBT各有各的发挥空间——SiC用于后轮驱动,可提升巡航里程;矽基IGBT用于前轮,以便最佳化成本。在极端情况下,如OBC中,同一架构将会同时采用多达五种不同的半导体技术,包括IGBT、矽基二极体、矽基MOSFET,超结 MOSFET和SiC MOSFET。

强茂将于2023年第四季推出SiC MOSFET新产品,则是延伸SiC二极体产品的新领域。强茂介绍,较早期的SiC MOSFET产品设计必须要有闸极驱动线路来最佳化、最大化的表现,然而近期的SiC MOSFET设计以一般矽MOSFET来驱动即可,客户不需要再准备特殊的闸极驱动器,可获得低成本的优势。

电动车之外的更多发展空间

从市调机构的统计可发现,电动车及车辆应用俨然已成为宽能隙半导体市场成长的主要推手,在电动车之外,宽能隙元件能否凭借其优势,而有更大的发展机会?答案自然是肯定的。

强茂表示,除了电动车应用外,高效率能源转换、伺服器电源供应器、游戏机电源供应器,LED电源供应器、太阳能逆变器,能源储存系统及家用电器都需要SiC元件提供效率。 Nexperia认为,SiC的应用会基于其与生俱来的特性而被大量应用于高电压与大功率场域。如绿能转换、DC-AC转换器、HPC伺服器电源供应器、5G基地台、不断电系统(UPS)…等;而GaN则会着重在高频率应用产品,例如手机充电器已经大量采用GaN FET,这股风潮也已开始吹向笔电、萤幕、电视、游戏机等产品的适配器。

GaN和SiC可承受比矽和III-V元件更高的电场,意味着它们可以处理更高的功率密度和工作温度。因此,陈川迅指出,GaN具更高的输出阻抗等优势,这使功率放大器和功率组合的阻抗匹配更容易,从而在许多射频功率应用中实现更广泛的频率覆盖和更大的适应性。

高金萍总结,SiC损耗低,功率密度高,因此充电桩、太阳能逆变器、工业电源供应、电动车、轨道交通、马达驱动,以及受到数位化趋势驱动的数据中心等,都将成为SiC的主要应用市场。

GaN则是在结构紧凑、高性能和特别高效的充电系统领域得以发挥所长,如行动装置等消费性电子的充电头,以及电信设备的电源供应器等。

至于,所谓的第四代半导体的发展,陈冠玮认为,第四代半导体氧化镓(Ga2O3)由于操作电压更高(可高达3kV),制程中的长晶也更容易,再加上低成本(使用天然基材材料)等优势,使其前景颇受看好。然而,新材料仍有些关键技术须被突破,德凯宜特观察,第四代半导体氧化镓0.25W/cm.K的热导率,较其他高功率材料差(SiC热导率为4.9W/cm.K;GaN热导率2.0W/cm.K),因此散热问题仍是后续封装量产的一大考验。而低导热率容易造成在元件操作时介面(interface)的热崩溃,需更加注意散热方式,也是在可靠度验证中,需有效被解决的重要课题。

值得注意的是,第四代半导体对于电动车市场中,与有着同样耐高电压的SiC元件产生较大的竞争冲击。因此若第四代半导体能有效解决散热问题,或许未来电动车在关键元件的选择上,将会出现更多的变化与应用。


本文引用自《EETimes Taiwan》并于《电子工程专辑》杂志2022年7月号,原文请点此处
 

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