隨著能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型深入推進(jìn)，功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也在這一時(shí)代大潮中迎來(lái)蓬勃發(fā)展。根據(jù)分析機(jī)構(gòu)Yole預(yù)測(cè)，2027年全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到596億美元，其中分立器件與功率模塊市場(chǎng)將達(dá)到305億美元，成為市場(chǎng)增量的主要來(lái)源。
分立器件與功率模塊的增長(zhǎng)，無(wú)疑主要受益于新能源汽車加速滲透普及，Yole預(yù)測(cè)也顯示，2021-2027年，交通運(yùn)輸領(lǐng)域功率半導(dǎo)體需求將從63億美元猛增至135億美元，CAGR達(dá)到13.5%，躍居為無(wú)可爭(zhēng)議的功率半導(dǎo)體第一大應(yīng)用領(lǐng)域。
需求側(cè)的深遠(yuǎn)變化，對(duì)分立器件與功率模塊技術(shù)創(chuàng)新也提出了更高要求，以堪稱新能源汽車心臟的主驅(qū)逆變器為例，其中使用的功率模塊需要實(shí)現(xiàn)更高效率、更高工作溫度、更高功率密度，這既離不開功率器件本身結(jié)構(gòu)、材料、工藝的進(jìn)化，也同樣有賴于功率模塊封裝材料的“攜手并進(jìn)”。
在日前舉行的亞太電力電子領(lǐng)域盛會(huì)—上海國(guó)際電力元件、可再生能源管理展覽會(huì)（PCIM Asia 2023）上，集微網(wǎng)對(duì)賀利氏電子中國(guó)區(qū)研發(fā)總監(jiān)張靖博士進(jìn)行專訪，深入了解了這家封裝材料巨頭對(duì)技術(shù)趨勢(shì)的洞察與新產(chǎn)品布局。
核心技術(shù)改寫AMB基板性價(jià)比
多年來(lái)，覆銅陶瓷基板（DBC）由于兼顧器件互連、導(dǎo)熱散熱與絕緣性要求，在大功率應(yīng)用場(chǎng)景中可謂標(biāo)配。
不過(guò)隨著新能源汽車應(yīng)用方案對(duì)模塊功率密度和導(dǎo)熱能力要求日益嚴(yán)苛，傳統(tǒng)DBC中使用的氧化鋁或ZTA（氧化鋯增韌氧化鋁）陶瓷材料也逐漸逼近性能極限。
張靖博士指出，氧化鋁在熱導(dǎo)率上存在較大不足，難以滿足高功率密度、高服役溫度的導(dǎo)熱散熱設(shè)計(jì)指標(biāo)，此外，傳統(tǒng)氧化鋁材料斷裂韌性 (Fracture toughness)較低，也就是通俗理解“比較脆”，這也使其在車輛等高動(dòng)態(tài)、高震動(dòng)環(huán)境中難以確保可靠性，此外，氧化鋁材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）與硅接近，但高于新興功率半導(dǎo)體材料碳化硅，因此在功率模塊中與碳化硅器件的匹配也存在一定問(wèn)題。
正是由于上述局限性的凸顯，陶瓷基板更新?lián)Q代已成為供應(yīng)鏈共識(shí)，而在氮化鋁和氮化硅這兩種候選材料中，氮化鋁斷裂韌性甚至不及氧化鋁材料，如果要在實(shí)際模塊中應(yīng)用，其增加的厚度就大大抵消了導(dǎo)熱能力的優(yōu)勢(shì)，因此在新一代車規(guī)功率模塊基板材料中，氮化硅幾乎是“天選之子”，在熱導(dǎo)率、韌性、強(qiáng)度、CTE匹配上幾乎全面超越了傳統(tǒng)氧化鋁材料。
然而基于氮化硅陶瓷材料的新一代AMB（活性金屬釬焊）陶瓷基板規(guī)模應(yīng)用，當(dāng)前同樣受限于其較傳統(tǒng)DBC基板更高的成本，在特斯拉TPAK等標(biāo)桿應(yīng)用案例后普及步伐尚待加速。參照碳化硅器件廣為人知的曲折商業(yè)化之路，只有成本有效降低，才能改變用戶側(cè)成本收益等式，充分兌現(xiàn)其技術(shù)潛能，而賀利氏電子在這一領(lǐng)域，已做出了意義非凡的探索。
張靖博士分析，氮化硅AMB基板的高成本主要來(lái)自三個(gè)方面：新型陶瓷材料本身供應(yīng)鏈培育中的固有高成本；銅片與陶瓷之間的釬焊料通常含有大量貴金屬銀；AMB基板制作需要用到真空爐工藝，低產(chǎn)率進(jìn)一步拉高成本。
根據(jù)張靖博士介紹，賀利氏電子新推出的無(wú)銀AMB氮化硅基板Condura?.ultra，則依托公司強(qiáng)大技術(shù)能力和對(duì)用戶需求洞察，卓有成效地破解了上述三大“痛點(diǎn)”。
首先，張靖博士指出氮化硅材料熱導(dǎo)率等固有性能往往對(duì)用戶需求而言已屬“過(guò)?！保╫verqualified），例如基于傳統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)，陶瓷基板通過(guò)焊接與散熱板（Baseplate）連接，如果焊接層導(dǎo)熱率只有50，則AMB基板的導(dǎo)熱優(yōu)勢(shì)仍然會(huì)被這一瓶頸所抵消。正是基于這一深度洞察，賀利氏電子通過(guò)氮化硅材料成分的調(diào)整，尋求填補(bǔ)AMB與DBC之間的性價(jià)比斷層，為客戶提供其應(yīng)用方案最適性能下的最佳成本。
其次，傳統(tǒng)釬焊料中往往含銀量可達(dá)60%，在高產(chǎn)量下對(duì)用戶而言同樣是一個(gè)不小的負(fù)擔(dān)，而賀利氏電子基于其獨(dú)有技術(shù)，突破性地實(shí)現(xiàn)了無(wú)銀釬焊料，從而進(jìn)一步強(qiáng)化了其氮化硅AMB基板的成本優(yōu)勢(shì)。
最后，無(wú)銀基板還帶來(lái)了工藝上的重大優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)氮?dú)猸h(huán)境中燒結(jié)而無(wú)需真空，從而極大便利了工藝流程的連續(xù)進(jìn)行，更高產(chǎn)率自然也會(huì)帶來(lái)更低的成本。
張靖博士透露，一系列技術(shù)創(chuàng)新后，賀利氏電子無(wú)銀AMB基板在苛刻的環(huán)境測(cè)試和壽命測(cè)試中表現(xiàn)上佳，他還強(qiáng)調(diào)，除了成本與性能的固有優(yōu)勢(shì)，公司在供應(yīng)鏈體系上同樣能夠?yàn)榭蛻籼峁┲卮髢r(jià)值，“到最后你會(huì)發(fā)現(xiàn)是不是有足夠的氮化硅基板，市場(chǎng)上你是不是能買得到，是不是能穩(wěn)定的去供貨，這其實(shí)是非常重要的東西”。而在這方面，賀利氏電子同樣已有前瞻布局，與諸多上游供應(yīng)商已達(dá)成戰(zhàn)略合作關(guān)系。
完整解決方案助力碳化硅普及
眾所周知，碳化硅（SiC）功率模塊正在抵達(dá)替代硅基IGBT方案的成本臨界點(diǎn)，其縮短充電時(shí)間、增加續(xù)航里程的用戶體驗(yàn)價(jià)值也因此日益煥發(fā)吸引力，裝車應(yīng)用在2023年已有明顯加速勢(shì)頭，根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2027年碳化硅器件、模塊市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到63億美元，其中70%將用于汽車行業(yè)。
除了無(wú)銀AMB基板，賀利氏電子在此次PCIM期間，還展出了包括燒結(jié)膏、銅線、大面積燒結(jié)技術(shù)乃至Die Top System(DTS)材料系統(tǒng)在內(nèi)的完整解決方案，可覆蓋新一代碳化硅功率模塊封裝的各類工程需求。
例如碳化硅模塊封裝中，由于工作溫度等因素，銀燒結(jié)已經(jīng)成為“剛需”，而賀利氏電子展出的經(jīng)典產(chǎn)品mAgic PE338印刷型燒結(jié)銀適配有壓燒結(jié)工藝，擁有專利認(rèn)證的高度可靠材料，通過(guò)優(yōu)異的結(jié)合強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能，可以提升SiC和GaN寬禁帶器件的工作壽命，與封裝企業(yè)原有工藝工裝可無(wú)縫銜接。
張靖博士還談到，結(jié)合燒結(jié)料和氮化硅AMB基板的優(yōu)異力學(xué)特性，賀利氏電子還可幫助客戶應(yīng)用大面積燒結(jié)技術(shù)，使陶瓷基板直接與散熱器連接，能有效降低整體熱阻，間接有助于提高器件載流能力，減少模塊方案中昂貴的功率器件用量。
再如打線(Wire Bonding)這一模塊制造的核心工序中，傳統(tǒng)的打線方式是鋁線互連，但隨著碳化硅功率模塊向大功率、高功率密度方向演進(jìn)，鋁線導(dǎo)電導(dǎo)熱性能差、熔點(diǎn)低的短板愈發(fā)明顯，往往成為器件早期失效的主因。而在以銅為基礎(chǔ)的新一代內(nèi)互連技術(shù)中，銅片（Clip）燒結(jié)互連雖然看似成本較低，但工藝成本高、靈活性差、裕量小，良率低。更重要的是，Clip互聯(lián)還會(huì)帶來(lái)較大的熱應(yīng)力，在可靠性方面與DTS銅線互聯(lián)有較大的差距。
正因如此，粗銅線鍵合當(dāng)前被普遍視為車規(guī)功率模塊的首選互連技術(shù)，結(jié)合燒結(jié)銀工藝可顯著提高產(chǎn)品可靠性，不過(guò)其互連通常需要芯片上表面形成一層薄銅層以保護(hù)芯片免遭機(jī)械損傷。而賀利氏電子DTS解決方案，正是獨(dú)創(chuàng)性地解決了這一需求，也被張靖博士評(píng)價(jià)為“芯片上表面互連目前最理想的解決方案”。相較于前道工藝中電鍍銅層等技術(shù)路線，DTS系統(tǒng)可低成本實(shí)現(xiàn)銅箔燒結(jié)，兼容模塊封裝常見設(shè)備，芯片上表面溫度分布顯著優(yōu)化，最高溫度可下降近十度。
芯片上表面銅箔配合銅線、燒結(jié)銀、陶瓷基板所構(gòu)成的DTS材料系統(tǒng)，既代表了賀利氏電子在封裝材料領(lǐng)域的深厚技術(shù)積累，也折射出公司的清晰業(yè)務(wù)定位，正如張靖博士所言，賀利氏電子的定位是提供封裝材料一站式解決方案，這對(duì)客戶而言無(wú)疑是更優(yōu)的選擇。
目前，亞洲市場(chǎng)已經(jīng)占到賀利氏電子全球營(yíng)收的35%，員工占比也達(dá)到27%，其中大部分都是在中國(guó)，足見中國(guó)市場(chǎng)對(duì)賀利氏電子的重要意義。
專訪的尾聲，張靖博士還分享了賀利氏電子在本土化上的思考和實(shí)踐。在張靖看來(lái)，以電動(dòng)汽車為標(biāo)志，中國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)鏈的崛起趨勢(shì)業(yè)已明朗，在功率模塊這一環(huán)節(jié)未來(lái)也將占據(jù)比較領(lǐng)先的位置，賀利氏電子秉持著在中國(guó)、為中國(guó)的理念，也始終積極融入這一趨勢(shì)。他以上海創(chuàng)新中心為例，指出賀利氏電子在華研發(fā)能力建設(shè)絕非簡(jiǎn)單的應(yīng)用支持，上海創(chuàng)新中心在為客戶提供深度工程服務(wù)的同時(shí)，也已經(jīng)成長(zhǎng)為賀利氏電子內(nèi)部創(chuàng)新研發(fā)的重要力量。
張靖還談到，賀利氏電子在銷售、生產(chǎn)兩端的本土化也正持續(xù)深入，例如公司已宣布將在常熟投資新建AMB基板工廠，最終目標(biāo)是基于中國(guó)供應(yīng)鏈來(lái)提供創(chuàng)新產(chǎn)品，為本土客戶保障供應(yīng)安全。與此同時(shí)，通過(guò)與本土設(shè)備供應(yīng)商、科研院所的合作，賀利氏電子在中國(guó)功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)生態(tài)中的建設(shè)性作用，也正在不斷凸顯。
