賽晶科技董事長項頡表示，新能源汽車是全球各個國家競相研發的新興產業，是推動經濟發展方向轉變、促進經濟增長的戰略需要。賽晶最新研發針對電動汽車領域的單面冷卻IGBT模塊，應用了目前國際上最新的芯片和模塊設計理念，具有極高的緊湊性設計，同時也完全適用于碳化硅芯片。期待能與廣大車企攜手合作，在未來電動車碳化硅模塊領域，形成中國標準。
賽晶科技瑞士子公司SwissSEM首席運營官Sven先生，通過視頻的方式發表主題報告“電動汽車和工業領域最先進的IGBT”，首次發布了下一代車載單面冷卻IGBT模塊——EV-Type模塊。為了讓大家可以全方位地了解EV-Type模塊，《變頻器世界》對Sven先生的主題報告進行了編輯整理，以下為本次報告的演講實錄。
先生們，女士們，大家好！我叫SvenMatthias，是SwissSEMTechnologiesAG公司的副總裁和首席運營官。很遺憾未能親臨現場。今天我將討論SwissSEM的發展和即將開啟進軍電動汽車和功率半導體領域的使命，感謝聆聽！
我們SwissSEM公司的標志設計源自瑞士國旗的十字圖案，也反映了我們的淵源：質量思維、技術，以及來自ABB高層的專家團隊。SwissSEM—即設計于瑞士的半導體。
SwissSEM旗下的賽晶亞太半導體科技（浙江）有限公司，位于嘉善縣，我們也稱為“SwissSEM中國公司”，是我們卓越的制造中心。與SwissSEM瑞士公司——卓越的設計、技術、項目管理中心，一起開發產品、建立生產基地，并一同打造最先進的制造和開發能力。
兩家公司都是項頡先生創立的賽晶電力電子集團有限公司所屬的法人實體。
公司使命是成為功率半導體元件的世界級提供商，產品覆蓋工業、綠色能源和電動汽車市場。2019年，我們從零開始創建了這家公司，并且確立了幾個發展階段：首先確立“做什么”和“如何做”。首先，它是從確定需求和創造所需的資源開始的，這意味著產品研發策劃（APQP）、初始供應基礎、初始制造、原型和首次官方認證。在本次會談期間，我確信公司即將完成第1階段的任務，并且已經進入第2階段。
功率模塊制造的一個重要原材料是芯片組，它決定了模塊關鍵參數。因此，該器件的開發目標是實現盡可能低的總損耗。
i20IGBT芯片的關鍵設計要素，如下：
精細圖案溝槽設計中，采用了一個非常狹窄的臺面設計；
優化的N-增強層。這兩個設計要素的目標是盡可能增加IGBT發射極側的電子/空穴等離子體；
盡可能短的溝道長度，以確保低溝道阻抗；
這些設計特點確保了低通導損耗（低開態電壓降）；
該器件具有先進的3D結構P+設計；
激光退火的緩沖層和陽極；
以及超薄的N-基底；
這些要素經過精心設計，盡量減少總開關損耗（EoffandEon）。
與IGBT芯片配合工作的是二極管。二極管與IGBT一起開發，確保了最佳的芯片組整體性能。我們利用先進的發射極效率管理優化了二極管。在陽極側，這是通過優化擴散分布來實現的。在陰極側，我們利用激光退火來調整緩沖和陰極發射極。結合起來，使我們有可能實現較低的總損耗（通態電壓降和反向恢復損耗）。在N-基底中，我們利用電子輻照來調整載流子壽命。N-基底厚度與發射極和載流子壽命一起調整，以實現反向軟恢復。與特別設計的連接終端一起使用，以達到更好的反向恢復可靠性。該二極管可在反向恢復期間實現高di/dt，這降低了IGBT導通損耗。
對于電氣測試，我們利用了兩種不同的模塊來測試數據：
在左側，可以看到我們的EV型模塊。它是一個半橋接口，每個橋臂由一個IGBT和二極管組成。同樣，該模塊類相當于三分之一的ED-Type模塊。在如此小的尺寸內，實現了創紀錄的高電流密度，包含兩個1.2kV/250A芯片組。電感遠低于10nH，帶來了較低過沖電壓。低于0.9mOhm的極低接觸電阻，帶來了極低的導通壓降。優異的SiN基板，提供了非常低的熱阻和出色的功率循環能力，一個內部熱敏電阻完成封裝。
在右側，可以看到ED-Type模塊，它是一種標準的工業“EconoDual”形式封裝，額定電壓為1.2kV，額定電流為750A。它針對均衡分流進行了優化，具有低損耗和高可靠性的特征。后邊，我將說明每項數據，是通過哪種模塊獲得的。在我們的EV-Type模塊上測試，您可以看到我們的IGBT在125℃的外殼溫度下的開通和關斷特性。
在整個演示過程中，柵極電壓將以黑色表示，并乘以10倍，以便更好地識別。電壓為藍色，電流為紅色。250A和600V條件下所做的單芯片測量，顯示了柔軟和良好的開關特性。外部開關參數，如柵極電阻Rg_on和Rg_off以及雜散電感，見頁腳注釋。IGBT必須耐受的典型失效模式是發生短路。施加600V的集電極-發射極電壓，柵極以15V電壓打開。在最大電流為2800A下，失效模式可以耐受10微秒，足以讓驅動電路檢測到失效模式并保護整個系統。
二極管的額定條件也已確定。二極管結合了可靠的阻斷能力與低損耗軟切換特性。二極管的關鍵特征在于換向速度di/dt。這是由IGBT產生的，IGBT啟動得越快，Eon的損失就越低。然而，這可能被二極管的恢復損耗過度補償。因此，需要IGBT和二極管共同發展以達到一個最佳組合效果。
總之，這個表格顯示了環境溫度為150℃的SwissSEMED-Type750A模塊的典型數值。將它與類似封裝的InfineonI4（僅僅將電流增加到750A）進行比較。您可以看到，ED-Type的通導損耗表現優于I4。與I4封裝相比，SwissSEM產品的關斷損耗將略高，但是開通損耗明顯降低了20%。我們的二極管與I4的二極管，在恢復損耗和正向電壓的表現相似。我們的芯片組耐溫等級高達175℃。與IGBT4等類似的芯片組技術相比，SwissSEM的芯片組具有明顯的優勢。
性能表現圖形反映了輸出功率/或電流與開關頻率的關系。這種圖形可以用來對模塊進行系統級或應用級的比較。為了得到一個合適的參數集，我們比較了行業內其他的同類模塊。熱阻值取自數據表，然后我們測量了靜態和動態損失以獲取真實數據，而非僅依靠受營銷因素影響的技術性能圖表。
有兩個模塊代表：位于底部的基于ED-Type封裝的IGBT4/600A模塊（灰色），和的富士電機封裝/800A（藍色）。SwissSEM的750A模塊性能，開關頻率在1kHz的情況下，僅比富士電機的模塊低2%到3%。SwissSEM的模塊將為我們的客戶提供良好的性能。
如前所述，IGBT的可控性是一個主要發展目標，通過外部柵極阻抗來實現對di/dt的外部調節。這是我們首批IGBT的典型開通曲線。此時所加的電壓為600V，隨后IGBT開通。在兩次開通測試中，我們使用了兩個不同的柵極電阻：1.5歐姆和5歐姆（第二次開通測試）。兩個電流波形在這里相互疊加。圖形清楚地顯示，對外部柵極電阻設置完全沒有響應。這對于調整損耗、根據應用需求調節開關是個壞消息。
芯片研發團隊開發出了現在可以從外部進行開通調節的一個優化結構。與相同溫度下的初始測試相比，采用相同的1.5歐姆柵極電阻，IGBT的di/dt要低得多。此外，您可以看到，盡管條件苛刻，卻顯示了較低的最大電流。為了讓我們看得更清楚，用藍色表示的電壓僅用于1.5歐姆的柵極電阻。增加開通電阻，開關速度會進一步降低。在多個步驟中，我們將電阻增大到15歐姆，圖上顯示為深紅色�；疑从沉酥虚g步驟。通過這種優化，我們的目標設計顯示出良好的可控性。
另一個關鍵性能參數是IGBT的魯棒性。安全工作區域顯示了電流等級仍然可以被安全關斷。我們在很高的外殼溫度下進行這些測試，采用兩倍的額定電流，電壓通常會高于器件集電極-發射極額定電壓的50%。在右邊您可以看到紅色的電流很快變為零，電壓上升到1200伏，安全通過一個強動態雪崩階段，然后到達900伏的平臺。
下一步——將電流增加幾安培，并重復進行測試。在這里可以看到安全關斷電流約為700A，相當于2.8倍的額定電流。同樣的情況像之前一樣發生，安全的關斷電流，很強的電壓升高，甚至更長的動態雪崩過程。在這些逐步增加的條件下，除了簡單地關斷電流外，IGBT的運行只會出現兩種情況：要么失效，要么達到飽和并進入短路模式。這些條件下，我們的器件在15V的柵極電壓下實現飽和，電流約為標稱電流的3倍。由于這個電流是被安全關斷，我們的IGBT堅不可摧！
在ED-Type模塊上進行同樣的測試。試驗條件被提升至1500A（紅色），即兩倍額定電流，和800V直流連接。需要注意的是，外殼溫度為175℃，最高的實際結溫。
該圖形顯示了在這些SOA條件下的安全關斷過程，波形類似于EV-Type模塊。這也意味著，在這樣的測試過程中，結溫遠遠超過了數據表中的最大限值。在這些情況下實現的安全關斷，是選擇了優良的原材料和成熟的模塊組裝技術的結果。最后同樣重要的是，這也是所選電氣布局的結果，我將在下一張幻燈片中進行解釋。
ED-Type模塊通常由3個并聯IGBT芯片和相應的續流二極管組成。問題是——從熱量的角度看，怎樣才是最好的布局？熱模擬將帶來一個視角：等高線圖顯示了溫度分布與二維布局，最終熱阻為37K/kW，芯片峰值溫度差為3K，而IGBT“2”顯示為最高溫度。這是因為IGBT1和IGBT3加熱了中間的IGBT。
還有一種布局方案，我們稱之為“直線”布局：所有的IGBT都在一側，熱阻相同。然而，峰值溫度差總體上增加了1K到4K。之前提到的IGBT1和IGBT3的“熱效應”在這個布置中稍微突出一些。只有在模擬中，您才能通過單個IGBT來測量電流。這種情況在圖中繪制在中間和右側。
在經典布局中，我們發現，IGBT1的峰值電流為250A左右，而IGBT3的峰值電流超過400A。存在著很大的峰值不均勻性，在均流中達到了30%的不平衡性。與此相反，直線布局的不平衡性顯著降低，僅為17%。實現的改進因數為2。熱阻相同，兩種布局之間的溫度平衡也幾乎相同！
因此，客戶將受益于直線布局。這種布局避免了特定芯片的過載情況，因此提供了更好的性能和可靠性，這在實驗中已經證明。
通過模塊設計以及與我們的供應商的密切合作，我們向您介紹這款ED-Type模塊：
厚2mm的低阻抗電極端子，適用于高電流應用；
高質量的框架，帶有堅固的注塑連接器；
在散熱器上進行安裝用的鉚釘；
用于高電流互連的低電阻銅鍵合線；
優化的Al-鍵合線。；
我們的i20IGBT和二極管芯片組；
DBC-基片和預成型的銅底板實現與散熱器的可靠接觸。
所有這些原材料都是我們生產過程中必不可少的。開始是芯片和陶瓷基片的焊接。隨后將芯片進行鋼絲粘結，焊接到底板上。然后，將外殼粘接在一起，并進行進一步的電線粘接。然后是使用凝膠進行固化，最后一步是安裝頂蓋。所有模塊必須通過電氣測試和最終的外觀檢查，然后才能打包和發貨。
接下來是什么？我們正在開發ST-Type模塊，它看起來很新，有一個新的內部設計，是的，這個優點帶來了主要好處。與我們的競爭對手相比，其額定值高出25%。它可以提供更好的同等熱阻、結溫、內部雜散電感以及低內部阻抗，同時，也保留了我們主要競爭對手的爬電距離和電氣間隙。
這些優勢純粹基于設計和構造，并且可以直接轉化為客戶收益：最低熱阻，意味著更好的冷卻；更低的工作溫度，因此有著更好的可靠性（或者更多的功率輸出，以便達到標準的可靠性）。最低的內部雜散電感意味著更快的開關，從而降低損失，或者降低開關中的過沖電壓，減少振蕩敏感性。這就使得該模塊適用于碳化硅（SiC）的使用。最后，在600A的導通下，將內部接觸阻抗引起的壓降減少近一半。因為最有效的面積利用，我們可以提供與ED-Type封裝相同的額定電流。因此，在同類產品中表現最佳。
這個模塊目前正在開發當中，在右下方，您可以看到一張初始照片。
在我們成為電動汽車半導體供應商的使命中，我們遵循著以下兩個模塊概念：成型IGBT模塊。這一模塊提供了卓越的抗環境沖擊保護，非常模塊化及緊湊的設計，最低的連接損耗，適用于SiC芯片。但是，這個模塊還不是一個得到廣泛普及的標準。
在另一側，您可以看到經典的電動車模塊，帶有針腳底板。其優點是極其有效的冷卻性能，一個模塊有三相，緊湊的外殼，并且，對了，這個模塊可以和我們的嘉善首條裝配線兼容。需要提及的一些缺點有：密封冷卻器接口，更高的連接電阻，更不環保。但是，雖然我們不知道什么可以贏得大多數客戶的青睞，但我們會準備好并同時掌握兩種技術。最后，也是很重要的一點，就是我們的產品路線圖。在第四季度，ED-Type模塊會和我們的i20芯片組一起完成最后的可靠性試驗。
晚一些，我們將能夠提供同樣電流等級的ST-Type模塊。我們的ED-Type模塊采用標準封裝。在我們推出1200V芯片組的同時，1750V芯片組的開發也正在進行著，這會讓我們可以在2022年底前就向我們的工業客戶提供全電壓等級的產品。
不久之后，預計我們的精細溝槽技術會向微溝槽技術進行升級。這會讓模塊性能達到900A。我們正在對碳化硅芯片進行調研，到2024年，我們計劃向我們的封裝提供芯片組。我們致力于建立工業和電動車市場所需的所有東西，而在這一使命中，我們必須盡快管理市場進入，并在嘉善顯示大批量的生產。
我們面前擺著很多讓人興奮的工作，我們也期待著與我們的供應商、合作伙伴、客戶以及投資者進行密切并富有成效的合作。我們的IGBT初始芯片組開發目前正在進行當中，其性能優于同類型的競爭器件。我們的IGBT堅固耐用，且可控性強。三個主要的模塊產品系列目前也正在開發當中，為客戶提供主要利益。
在我們慶祝奠基儀式的13個月之后，賽晶參加PSIC會議，并邀請大家參觀我們新建成的工廠�，F在，我們擁有領先的工廠這一夢想正在逐步成為現實——一個為工業和電動汽車領域而打造的大批量產品制造工廠。
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