老11选5遗漏

汽车半导体的电源封装 - 现在和未来

2019-08-07 17:11 易库易

毫无疑问,汽车行业正在经历电子革命,会产生极大的创收价值:无论是自动驾驶、信息娱乐或电气化应用,性能、可靠性和成本都会影响每个参与方的差异化策略。 因此,对集成器件制造商IDM和外包装配和测试OSAT供应商而言,都需要?#23633;?#22823;的创新。


1,市场趋势

许多环境,经济和社会因素正在影响未来的车辆设计和动力总成选择。考虑二氧化碳排放法规,税收优惠和充电基础设施,动力总成战略将在未来看到重大演变。

功率半导体是电动汽车(EVs)、混合动力电动汽车(HEVs)和插电式混合动力汽车(PHEVs)动力总成系?#36710;?#20851;键部件。一些出版物指出:与汽油车平均半导体含量330美元/车相比,电动汽车半导体含量超过750美元/车。其中使用的功率器件的大部分为主逆变器,车载充电器和DC-DC转换器。由于HEV和PHEV增加,需要复杂电力电子解决方案降低电力损失,但同时系统重量和总成本将增加。


 

目前的主力-基于硅(Si)技术的功率器件,如MOSFET和IGBT由于其技术成熟度,可制造性和已建立的供应链而发挥着重要作用。
通常,MOSFET覆盖低电压(<200V)空间,而IGBT贡献高电平电压(>600V)应用。
在封装方面,功率分立封装如晶体管外形(TO),小外形晶体管(SOT),功率四方扁平无引脚(PQFN)和TO-Leadless(TOLL)封装在低功率(<5kW)应用中,汽车行业已经建立了良好的应用。但是,为了高功率(>50kW)子系统,模塑或基于框架的电源模块是必需的。
该产品几个电源设备供应商的产品组合包括分立,模制和框架模块配置如单开关,半桥,全桥和三相设计,如图所示。





随着电动车辆(xEV)解决方案的增加,对成本的要求($/kW)和功率电子器件的功率密度(kW/Kg或kW/l)也在增加。目前的成本大致是5$/kW,而功率密度约为12kW/l。这些目标预计2035年将达到3$/ kW和60kW/l。
现有的半导体无法实现这些未来的目标设备技术,封装技术和系统?#37117;?#26500;。趋势可能分化为两条路径:电动机和电力电子设备是共同设计的完全集成解决方案,或单个电源管理转换器,用于管理整个车辆的电源。



2,技术范式转变-从硅到碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)

满足汽车和系统制造商,半导体供应商的要求需要在众多领域提供卓越的解决方案。从半导体技术方面来说,随着更多性能的提升,硅功率器件将继续发挥关键作用。?#27426;?#39044;计将出现新的宽带隙材料(wide bandgap materials),例如碳化硅(SiC)和氮化镓(gallium nitride,GaN)在未来几十年中将发挥更大的作用,特别是在大功?#26159;?#24341;逆变器和中功率方面转换器应用。

如表1所示,这些新材料对热和电气性能的改善都优于传统硅器件,但目前?#28304;?#22312;可制造性、集成和成本的挑战。为了最大化宽带隙材料的潜在优势,需要共同开发先进的组件,转换器拓扑和集成。



在封装层面:高温性能、集成度和可靠性将是推动创新的三个主要趋势。用于高温性能的电源分立器件和模块,关键设计要求包括更好的热界面材料(TIM),新颖基板和改进的封装技术。此外,需要创新材料提供更好的机械稳定性和坚固性,?#32422;案?#21892;粘接更好地承受扩展功率和温度循环的机制。随着SiC和GaN器件的广泛使用,需要对当前的封装解决方案进行优化,因为不能直接替换硅对应物。例如,随着引入宽带隙材料,预计可节省大?#38752;?#38388;,减少大量无源元件,同时支持带栅极驱动器和滤波器的封装?#37117;?#25104;解决方案。

最后,基于现有硅器件的逐步改进,当前的逆变器和转换器架构将会看到效率的提高。为了提供更多功能,拟合策略,例如与SiC整流器或GaN晶体管的集成,?#32422;案?#25928;的设计,

如分布式架构,有望满足市场需求。在将来,解锁宽带隙器件的全部潜力,电路设计的进一步创新,频?#26159;?#25442;,软切换和谐振切换将提供更高效和更高的性能功率密度解决方案。集成电动机和电源转换器的市场趋势将带来几个具有挑战性的封装要求:主要是在机械,热和电气领域与扩展温度范围并置时的性能。对于SiC和GaN器件,现有封装技术产生的?#30001;?#30005;感导致开关损耗和?#30001;?#30005;容导致共模电流,限制了其性能发挥。


3,价值链分析

从封装技术的角度来看,半导体行业经历了几个周期。例如,移动通信中生命周期?#38553;?#30340;产品可以看到一旦封装平台合格,技术整合和产量将大幅增加,这样在提出新的颠覆性技术时,封装可能会出现大幅更换。在相比之下,汽车产品生命周期通常更长。汽车产品,一般来说,已建立在强大的Si节点和稳定的封装上。但是,汽车电源封装技术可能会在未来开始遵循半导体成熟度模型的缩短预计开发周期将推动汽车供应商进入市场战略。IDM一般保?#20540;?#20135;量和高利润的产品用于内部生产。多年来,由于技术成熟和产量增加,企业已经战略性地转向OSAT。这个方法与OSAT的商?#30340;?#24335;很好地结合 - 提供吸引人的经济学和响应客户的需求。同时,由于汽车等行业的快速发展,OSAT预计将与创新保持同步,提供先进的技术差异化解决方案。

OSATs能否成功创造价值,主要取决于资本投资和生产率、诱人的成本结构和定价模型。技术差异化是必要,用以解决某些专用应用空间,如变频器和变频器的电源模块汽车领域。鉴于当前电源模块解决方案的非标准化,我们有理由相信,汽车和系统制造商将要求?#27426;?#31243;度的标准化,?#24066;?#20379;应商进行多源采购和承受价格压力。IDM通常投资很大资本在前端而不是后端,可能会寻求OSAT来实现一些功率模块制造。IDM,OSAT和系统制造商之间的合作对于构建电源封装生态系统将非常重要。


4,电源封装

为了满足各?#25351;?#26679;的需求-高温材料、更高的开关频率、更高的可靠性和更大功率密集的解决方案-封装技术需要大规模提升以满足汽车行业的严格要求。先进的电源封装技术需要材料集开发,结构优化和工艺创新,同样还需要计算机辅助设计(CAD)工具和建模方法才能达到预期的效果。电源封装的发展经历了三次如下所述的阶段:


4.1 短期(0-2年)标准化

半导体封装行业,包括IDM和OSAT都非常分散,导致界面材料,模塑化合物和粘合机制?#29616;?#19981;标准化。在短期内,可?#36234;?#34892;一些开发来标准化最新的封装技术,?#24066;?#21046;造商进行多源采购。此外,将有源元件与无源元件集成在一起,提供低成本的双面冷却解决方案,将推动牵引逆变器应用中功率分立器和模块的效率提升。?#24230;?#24335;芯片和平面互连技术的发展将降低寄生电感,从而实现高?#30331;?#25442;,从而满足更高的效率指标。最后,材料和装配过程有望发展,满足不同应用所需的各种温度和功率循环。


4.2 中期(3-5年)集成

接下来的改进,预计发生在将栅极驱动器,滤波器,控制器和传感器集成到单个封装中。

集成电源和控制组件将为供应链中的供应商提供差异化战略。更高的水平实现转换器封装(CIP)的集成需要对材料进行大量?#33455;看?#29702;温度超过250℃。特别是采用高密度转换器,CIP集成将很好地定位,以实现60kW/l的长期目标。?#27426;?#28508;在的能够进行高温操作和抑制电磁干扰的材?#29486;椋‥MI)由于高?#30331;?#25442;将是至关重要的。


4.3 长期(6-10年)降低成本的设计

随着电源封装变得更加标准化,制造具?#24515;?#22359;化和预封装芯片的电源模块将变得越来越容易。因此,制造业产量也将转向大批量和低成本的生产线,提供最佳性能价格指标。同样,低成本的基板和层压材料的系数低(<16ppm)热膨胀(CTE)和高(>20W/mK)导热系数成为标准产品保持宽温度和功率循环要求。功能整合方案,如三维(3D)集成异构组件,将进一步实现优化的车辆水平热管理,简化了专用电力电子冷却的要求。


资料来源:

Amkor Technology, Inc官网

yole Développement

老11选5遗漏