一文读懂汽车芯片--Si IGBT及车规AEC-Q101认证

1. 功率类芯片介绍 

新能源汽车中广泛应用了功率半导体器件（芯片）。各电力电子装置，按照功能不同可以划分为直流/直流变换器、交流/直流充电器、直流/交流逆变器和电动辅助变换器等，如图所示:

纯电/混动汽车内部的电力电子装置框图

（1）直流/直流升压和降压变换器，如DCDC、BOOST等，用于将高压电池的直流电降压为低压直流电或者将一种高压电源变换为另一种高压电源，功率器件主要应用为高压大电流的Si/SiC MOSFET、IGBT、GaN等。

（2）交流/直流充电机，如OBC（on board charger），将电网的交流电转换为直流电为电池包充电，功率器件与高压直流变换器类似，但因为与电网相连接，因此增加了高压大电流整流二极管的需求。

（3）直流/交流逆变器，如MCU（motor controller unit），将电池的直流电转换为驱动电机类负载的交流电，应用功率器件如MOSFET、IGBT、GaN等；

（4）电动辅助变换器，如方向盘助力、车窗升降、雨刷、水泵、油泵、电动座椅等部件，同样需要用到功率器件，因此所用的MOSFET、Diode等器件多为小功率离散器件，也有应用一些IPM模块封装。

 

2.Si IGBT

针对新能源汽车应用的特殊要求，要求IGBT器件具有低损耗、高集成度、高可靠性及低成本的特点。

IGBT功率模块大多数采用“六合一”三相全桥电路，每个半桥单元一般采用2-4片IGBT芯片并联来提升模块电流输出能力，并且会并联快恢复二极管芯片以提供电流的续流回路。目前IGBT芯片已经发展到第七代，主要体现在芯片的正面和背面结构和采用的工艺技术方面的迭代演进。正面结构已完成了从平面栅到沟槽栅的转变，使用沟槽栅结构可以降低JFET电阻分量，提升电流密度。以英飞凌为例，从其第三代IGBT芯片开始，就已全面采用沟槽栅结构。背面结构则经历了PT（Punch Through）、NPT（Non-punch Through）转为FS（Field Stop）技术，生产工艺快速迭代，晶圆厚度持续减薄，性能指标不断提升。

IGBT芯片技术主要在两方面，一方面是芯片正面元胞结构采用精细化沟槽工艺（Micro-Pattern），如英飞凌在汽车领域开发的750V EDT2芯片系列；另一方面则是向逆导型器件的方向发展，如富士推出的将IGBT和FRD进行芯片内集成的RC-IGBT器件，可进一步提高功率密度，降低单位成本。

IGBT模块封装技术更新主要围绕封装结构、封装工艺、封装材料三个方面，目前车用逆变器中IGBT模块普遍采用铜基板，上面焊接绝缘陶瓷基板DBC，IGBT及二极管芯片焊接在DBC板上面，芯片之间、芯片与DBC板之间、芯片与输出端子之间一般通过铝线键合连接、基板既有通过导热硅脂安装到散热器，也有基板带翅片（Pinfin）可以直接浸入水道的。

IGBT历代发展参数及特征如下表所示：

IGBT历代发展参数及特征

3.Si IGBT 市场规模

根据Trendforce预测，得益于新能源车渗透率提升，车规级IGBT市场增速明显，新能源车IGBT市场占比持续增长，2020年已成为中国IGBT第一大应用领域，占比约30%。

IGBT市场应用

新能源汽车IGBT市场规模

4.功率器件车规级认证

AEC-Q101标准是用于分立半导体器件的，标准全称：Failure Mechanism Based Stress Test Qualification For Discrete Semiconductors，基于分立半导体应力测试认证的失效机理，名字有点长，所以一般就叫“分立半导体的应力测试标准”。现在的Rev E版本是2021.03.01刚发布的最新版。

AEC-Q101认证包含了分立半导体元件最低应力测试要求的定义和参考测试条件，目的是要确定一种器件在应用中能够通过应力测试以及被认为能够提供某种级别的品质和可靠性。

AEC-Q101按Wafer Fab晶圆制造技术，分为以下几种，主要是MOS、IGBT、二极管、三极管、稳压管、TVS、可控硅等。

AEC-Q101认证准备

AEC-Q101验证流程

华碧实验室是国内领先的集检测、鉴定和认证为一体的第三方检测与分析的新型综合实验室，是质量和诚信的基准。华碧实验室拥有丰富的车规级电子认证经验，已成功协助300多家汽车分立半导体企业制定相对应的AEC-Q101验证步骤与实验方法，并顺利通过AEC-Q系列认证。