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新能源汽车的中心——IGBT
上传更新:2018-08-03

摘自:半导体行业视察 2018-08-03-奥门金沙4066手机版

 

对新能源车来讲,电池、VCU、BSM、机电效力皆缺少提拔空间,最有提拔空间确当属机电驱动局部,而机电驱动局部最中心的元件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管芯片)则是最需求正视的。

 

IGBT约占机电驱动体系本钱的一半,而机电驱动体系占整车本钱的15-20%,也就是说IGBT占整车本钱的7-10%,是除电池以外本钱第二下的元件,也决意了整车的能源效力。

 

不只机电驱动要用IGBT,新能源的发电机和空调局部一样平常也需求IGBT。不仅是新能源车,直流充电桩和机车(下铁)的中心也是IGBT管,直流充电桩30%的原材料本钱就是IGBT。电力机车一样平常需求 500 个IGBT 模块,动车组需求凌驾100个IGBT模块,一节地铁需求50-80个 IGBT 模块。

 

三菱机电的HVIGBT曾经成为业内默许的尺度,中国的高速机车用IGBT由三菱完整把持,同时欧洲的阿我斯通、西门子、庞巴迪也是一半以上接纳三菱机电的IGBT。

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除日系厂家,英飞凌包办了险些一切电动车的IGBT,而三菱机电则陶醉于中国下铁的丰盛利润中没法自拔,正在低于2500V市场险些一无所得。

  

2016年环球电动车销量约莫200万辆,共斲丧了约莫9亿美圆的IGBT管,均匀每辆车约莫450美圆,是电动车里除电池中最高贵的部件。

 

个中,混淆动力和PHEV约莫77万辆,每辆车需求约莫300美圆的IGBT,纯电动车约莫123万辆,均匀每辆车运用540美圆的IGBT,大功率的纯电公交车用的IGBT能够凌驾1000美圆。

 

什么是 IGBT?

 

IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)构成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。

 

取之前的种种电力电子器件比拟,IGBT具有以下特性:下输入阻抗,可采用通用低成本的驱动线路;高速开关特性;导通状况低消耗。

 

IGBT兼有MOSFET的下输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的长处,正在综合机能方面占据显着上风,异常合适应用于直流电压为600V及以上的变流体系如交换机电、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等范畴。

 

上图重要是经由过程脉冲宽度调制(PWM)的体式格局掌握IGBT开关,将电流从DC转换到AC(电池到机电,驱动机电)大概从AC转化到DC(机电到电池,刹车、下坡时能量收受接管)。

 

关于混淆动力,除驱动机电中,别的另有一个发电机,能够由汽车的发动机动员其发电,然后经由过程IGBT模块AC/DC转换后背电池充电。正在DM车型中,该发电机借能够充任驱动机电的感化。

 

IGBT最常见的情势实在是模块(Module),而不是单管。模块的3个基本特征:

模块的内部引线端子更合适高压和大电流衔接。统一制造商的同系列产品,模块的最高电压品级一样平常会比IGBT 单管高1-2个品级,若是单管产物的最高电压规格为1700V,则模块有2500V、3300V 以致更高电压规格的产物。

 

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晶圆上的一个最小全功能单位称为Cell,晶圆支解后的最小单位,组成IGBT 单管大概模块的一个单位的芯片单位,合称为IGBT的管芯。

 

一个IGBT管芯称为模块的一个单位,也称为模块单位、模块的管芯。模块单位取IGBT管芯的区分正在终究产物,模块单位没有自力的封装,而管芯皆有自力的封装,成为一个IGBT管。

 

最近另有一种叫IPM的模块,把门级驱动和珍爱电路也启装进IGBT模块内部,那是给那些最懒的工程师用的,不外事情频次天然不克不及太高咯。

 

单管的价钱要近低于模块,然则单管的可靠性近不及模块。环球除特斯拉和那些低速电动车中,悉数都是运用模块,只要特斯拉对本钱的正视水平远高于对性命的正视水平。

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特斯拉Model X运用132个IGBT管,由英飞凌供应,个中后机电为96个,前机电为36个,每一个单管的价钱约莫4-5美圆,合计约莫650美圆。

 

若是改用模块的话,预计需求12-16个模块,本钱约莫1200-1600美圆。特斯拉运用单管的缘由重要是本钱,尤其是其功率比一样平常的电动车要大很多,加上设想开辟周期短,不能不接纳单管设想。

 

比拟宝马I3,接纳英飞凌新型HybridPACK 2模块设想,每一个模块内含6个单管型IGBT,750V/660A,电流超大,只需求两个模块便可,体积大大缩小,本钱约莫300美圆。 

 

接纳英飞凌的新型HybridPACK 2模块设想,每一个模块内含6个单管型IGBT,750V/660A,电流超大,只需求两个模块便可,体积大大缩小。  

 

典范新能源车功率体系对照:

 

能够看出丰田的功率密度是海内密度的三倍阁下,差异伟大。

 

IGBT现在曾经发展到7.5代,第7代由三菱机电正在2012年推出,三菱机电现在的程度能够看做7.5代,同时IGBT的下一代SiC手艺曾经正在日本周全提高,不管三菱如许的大厂照样Fuji、Rohm如许的小厂都有能力轻松制造出SiC元件,我国目前停止正在第三代程度上,差异正在20年以上。

 

IGBT的要害:散热和背板工艺

 

IGBT的要害有两点,一是散热,二是背板工艺。

 

IGBT的正面工艺和尺度BCD的LDMOS出区分,区分正在后头,后头工艺有几点,起首是减薄,约莫需求加薄6-8毫米,加得太多轻易碎片,加得太少没有结果。接下来是离子注入,注入一层薄磷做缓冲层,第四代需求两次注入磷,正本硅片就很薄了,两次注入很容易碎片。

 

然后是洗濯,接下来金属化,正在后头蒸镀一层钛或银,最初是Alloy,由于硅片太薄,很容易翘直或碎片。英飞凌稀奇善于加薄技术。

 

*环球IGBT企业排名

 

这些工艺不只需求临时探索,同时借需求针对工艺开辟消费装备,只要对生产线和装备皆异常醒目的企业才气胜任。

 

*EV勤奋率模块封装技术发展

 

自第六代今后,IGBT本身的潜力曾经发掘的差不多了,人人皆把精神转移到IGBT的封装上,也就是散热。

 

车用IGBT的散热效力要求比产业级要高很多,逆变器内温度最高可达大20度,同时还要思索强振动前提,车规级的IGBT远在产业级之上。

 

产业级IGBT取车规级IGBT对照:

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处理散热的第一点,就是进步 IGBT模块内部的导热导电机能、耐受功率轮回的才能, IGBT模块内部引线手艺阅历了粗铝线键合、 铝带键合再到铜线键合的历程,进步了载流密度。

 

第二点,新的焊接工艺,传统焊料为锡铅合金, 本钱昂贵、工艺简朴, 但存在环境污染题目, 且车勤奋率模块的芯片温度曾经靠近锡铅焊料熔点(220℃)。

 

处理该题目的新技术重要有:高温银烧结手艺和瞬态液相散布焊接。取传统工艺比拟, 银烧结手艺的导热性、耐热性更好, 具有更高的可靠性。

 

瞬态液相散布焊接经由过程特别工艺构成金属合金层, 熔点比传统焊料下, 机械性能更好。三菱则运用超声波焊接。

 

第三点,革新DBC和模块底板,低落散热热阻, 进步热可靠性, 减小体积,降低成本等。以 AlN 和 AlSiC 等质料庖代 DBC 中的Al2O3和Si3N4等通例陶瓷,热导率更高,取Si 质料的热膨胀系数婚配更好。 

 

另外,新型的散热构造,如 Pin Fin构造 和 Shower Power构造, 可以或许明显低落模块的整体热阻,进步散热效力。

 

第四点,就是扩大模块取散热底板间的衔接面积,如端子压接手艺。

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散热的要害是质料,而材料科学是一个国度基础科学的表现,中国正在那方面异常落伍,日本则遥遥领先,不只正在德国之上,借正在美国之上。

 

IGBT的下一代SiC(碳化硅)手艺曾经崭露锋芒,鉴于它的重要性,丰田决意完整自立消费,现实丰田SiC的研讨自上世纪80年月便最先了,足足抢先环球30年。

 

SiC能将新能源车的效力再进步10%,那是新能源车提高效率最有用的手艺。丰田汽车便示意:“SiC具有取汽油发动机一致的重要性。”

 

SiC有多重要?

 

现在限定SiC运用重要是两方面,一是价钱,其价钱是传统Si型IGBT的6倍。其次是电磁滋扰。 SiC的开关频次远高于传统Si型IGBT,回路寄生参数曾经大到没法疏忽。

 

SiC基板是要害,落伍日本企业许多的英飞凌正在2016年7月决意收买美国CREE集团旗下的电源和RF部门(“Wolfspeed”),其中心就是SiC基板手艺。

 

不外正在2017年2月,美国的外国投资委员会(CFIUS)以关系到国家安全的缘由否认了这项收买,美国之所以否认这项收买,是珍爱美国为数极少的先辈工业技术,对日本厂家来讲,SiC基板都没有涓滴难度,三菱、丰田、罗姆、富士机电、日立、瑞萨、东芝皆有能力本身制造,悉数是内部开辟的手艺。意法半导体手艺也不错。

 

2014年5月20日,鉴于SiC的重要性,丰田稀奇召开了新闻发布会,公布取电装、丰田中心研究所协作开辟出了SiC功率半导体。

 

丰田开辟的集成SiC晶体管的4英寸(100mm)晶圆(左)取集成了SiC二极管的4英寸晶圆(左)。

 

现在丰田正在研发混动版的佳美运用SiC,另有就是丰田的氢燃料电池公交车也正在实验运用SiC,本田则正在本身的氢燃料电池车运用了罗姆的SiC的MOSFET。现在SiC都是实验用的4英寸晶圆线,只要三菱启用了6英寸生产线,本钱较低。

 

丰田估计2018年也启用6英寸生产线,能够正在2021年丰田的混动和氢燃料电池车将周全运用SiC。

 

 

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