芯片的微型化发展是一个趋势，功率密度会逐渐提升，包括整个结温会一直往上攀升。面对这种挑战让我们怎么做呢？我们做材料要不断推出更好的导热率，更好承载电流能力的材料，更高的可靠性，更具竞争力的价格。
本文为励展博览集团及NE时代于8月28-29日联合主办的 "第二届AWC2019新能源汽车关键元器件技术大会" 演讲嘉宾的现场实录。
演讲嘉宾：卢飞上海贺利氏工业技术材料有限公司市场应用经理
演讲主题：汽车级IGBT模块封装的材料与技术
卢飞：各位嘉宾、各位专家下午好，我叫卢飞，来自德国贺利氏。
首先简单介绍一下贺利氏集团的历史与背景，我们所属的贺利氏电子事业单元，以及贺利氏电子在针对中国市场推出的系统解决方案及工程服务。
贺利氏是一家德国前十大家族企业，也是世界500强。早在1851年，公司创始人成功提炼2公斤铂金，并且成功地应用于工业，因为之前很难提炼铂金，只用于少部分科学研究。他成功提炼了铂金，开启了长达168年家族国际化生意。贺利氏很多材料都是和金属尤其贵金属相关。我们很少涉及化工或者其他材料。公司总部是在法兰克福东边40公里的哈瑙，这是一个很小的城镇，但很出名，因为这是格林童话作者的故乡。贺利氏在整个行业是比较低调的，虽然做了很多产品，很多材料都没有去宣传。比如这金属板，成功应用于2012年欧洲核子研究中心为寻找“上帝粒子”的隧道的腔壁，在量子快速推进的时候，保证它的方向。作为贺利氏员工，我们也是很引以为豪，能够为人类的科学研究作出贡献。
下面简单介绍一下贺利氏电子，贺利氏有10个部门，每个部门都有不同产品，今天过来只是贺利氏电子。贺利氏电子有50多年历史，从最开始金属条带，到中国居民身份证里面的芯片框架，都是通过卷对卷的冲压出来的，一次冲压就14亿个产品，还有银行卡上面的芯片，上面的框架也是。1968年推出了厚膜浆料，很多都是用在汽车混合电路里面，同时也应用于时下的5G通讯上面。另外也是在1969年，厚膜浆料给美国阿波罗航天器提供了太阳能发电的材料。慢慢我们开发各种合金的焊料，到2015年引进DCB陶瓷材料，从而可以把键合线、焊料组成一个很好的解决方案，例如在2017年推出预敷焊料DCB基板。
下面介绍一下针对汽车行业包括这个市场我们提供的哪些解决方案。我们可以看一下这样一个图，这个图来自于IHS，对新能源汽车包括传统汽车的对比。横轴是针对二氧化碳的排放，也就是对环境的友好度，纵轴是能效，大家可以看到传统的燃油汽车就是二氧化碳排放很多，其实能效也不见得很高。为什么我们要去感兴趣新能源汽车，关注市场方向也是有原因的，能效比目前的燃油汽车更高，环境友好度更好。这边不管是HEV或者PHEV包括后面的燃料电池的新能源汽车，它的二氧化碳排放都是越来越少，能效也会越来越提高。从这样的趋势可以看到，新能源汽车确实是市场的发展趋势。
新能源汽车的市场数量，这份报告来自IHS今年3月份，我们细分看一下从FHEV，它代表的车型就是丰田普瑞斯，2018年全球销量220万辆，预计到2023年达到480万辆。我们再看右边的纯电动新能源汽车BEV，代表车型是特斯拉，在2018年是170万辆，预计2023年会达到700万辆。下面是PHEV插混，代表车型像上汽大众新推出途观，2018年数量是80万辆，预计到2023年会增加到420万辆。最后也是增量最大的，就是轻混，这款代表车型是Honda Insight。但在中国定义为新能源汽车的只有两种，纯电动和插混，这两种车像在北京和上海可以上牌，买其他的没有。国内的车企也会专注在这个方向去拓展市场。
上面是从比较宏观汽车的发展市场怎么样发展，我们到材料层面，像芯片这方面，我们做材料很多都是围绕芯片的发展去做匹配的，芯片的更新换代我们要不断推出新的材料，这是我们做材料面对的挑战。芯片的微型化发展是一个趋势，功率密度会逐渐提升，包括整个结温会一直往上攀升。面对这种挑战让我们怎么做呢？我们做材料要不断推出更好的导热率，更好承载电流能力的材料，更高的可靠性，更具竞争力的价格。这是我们做材料面对的挑战。
我们再看一下，材料和电动汽车有什么关系，大家可以看到电动汽车物理按键或者仪表盘会被电子取代掉，我们看到目前新能源汽车电子零部件占20-30%的比例，到2030年比例会上升到70%-80%，所有汽车里面包括后面的无人驾驶都会被电气化全面取代。这样的市场趋势以便我们更好应对市场发展，我们推出了全系列的覆铜陶瓷基板，产品品牌是Condura，我们后续会推出可以根据不同客人要求做3D结构覆铜基板、氮化硅基板，还有常规氧化铝。我们可以推出中国市场整体解决方案，比如客人想做模块，但是实验包括很多能力不具备，我们可以根据它的需求做到这样的设计，让它更快做这样的领域，进行一系列的验证。我们在铂金领域积累多的经验，我们把铂金传感器用在IGBT领域，替代目前NTC传统温度传感器，它的好处就是反应时间更短，更加灵敏，体积更小，当然价格是比较高的。现在温度传感技术也集成IGBT芯片里面，这二者是各有优缺点的。
下面简单介绍一下几款目前推出的材料，刚才从宏观包括微观的介绍来说，我们推出的材料大家可以看到，首先是陶瓷基板，因为它是作为所有模块的基础载体。基板应用面非常广，在传统的工业汽车级、新能源汽车、航空航天、军工都可以用到，横轴是客人使用接受度更高，纵轴是不同市场对材料应用。常规的是电焊机等其他设备用常规的氧化铝可以满足需求，慢慢如果像一些稍微不是需求那么苛刻的电动汽车，ZTA可以满足，如果想性能要非常优越的汽车，我们推荐使用氮化硅AMB基板，甚至可以满足军工的一些应用。这是对可靠要求比较高的。氮化硅AMB已经有20多年的历史，目前由于电动汽车的发展，这种材料大家都开始重视起来，需要企业进入这个领域。氮化硅AMB基板，它的好处就是相对普通氧化铝具有更好的是热导率，也没有像氮化铝到170多，只有90几，也完全可以满足在电动汽车的应用。因为具有钎焊层，铜跟氮化硅陶瓷的结合度比普通氧化铝更高，做一系列苛刻的验证不会很轻易剥离，这些优点可以应用在更加苛刻的环境下。
从基板再往芯片上走，我们又在做基板上做焊料，传统客人都是东家买焊料，西家买基板，然后买匹配器进行兼容。买了材料做焊接以后，发现间隙或者污染，但不知道谁出了问题，因为很多材料出现的问题都是在界面，界面出现问题到底是基板问题还是焊料问题还是工艺问题，客户给我们提出了一个需求，能不能把这种材料预先匹配好，按照他们的需求进行定制。我们觉得这是一个比较好的想法，我们就去做开发，把这样的产品做出来了。这样有一个对比，大家会看到这是常规个人拿了基板，要做印刷，之后做芯片的贴装，然后做一个回流焊，然后再做一个清洗。步骤这么多，每个步骤都可能出现问题。大家看到印刷是很简单的钢网印刷，但是研究发现将近70%的问题都是来自于印刷工艺，前期印刷没有做好，后面再做严谨的过程都是会失效。其他一些客人使用焊片，工艺相对简单，按照客人要求的尺寸裁剪好焊片，然后贴装芯片，好处就是不用清洗，但是必须每个焊片尺寸都定制一个夹具固定焊片，使芯片在回流焊的时候不会移位。这也是比较繁琐的工艺。我们就把二者问题结合在一起，中间加了一个红点定位点，这个红点可以很好固定芯片，把芯片贴到已经附和焊料的材料上，不用做任何夹具过回流焊，也不用做清洗。红色的这个点会不会对产生污染？我们这个产品叫PAA，有PPA和没有PAA没有造成太多影响，这种材料在135-136℃就会自然挥发掉。可以保证产品的空洞率。
另外一个产品就是，DIE TOP SYSTEM，我们推广了很多年。我们推荐了一个类似芯片上加一个铜箔，根据客人的芯片设计这样的尺寸，做好这样一个铜箔，客人拿到这样的铜箔以后再做加压和烧结过程中就在上面打粗铜线。这样的过程使得现在打粗铜线不是问题，目前市场上没有任何方案可以在芯片表面键合粗铜线。我们在材料基础上做一些匹配，这是客人的芯片，我们要加银烧结，芯片表面必须做一些金属化处理，把芯片和基板结合，基板也是用烧结，客户通过加压进行控制。两个绿色的点固定芯片，这个铜箔可以很好固定芯片，加压不会移位，然后就直接在上面打粗铜线。
这样的产品可靠性怎么验证呢？我们通过功率情况的测试验证这样的产品是不是真的能提高可靠性。我们做了一个对比实验，明显可以看到，常规使用常规焊料跟铝线都在3、4万次就失效了，用了DIE TOP SYSTEM包括烧结银、粗铜线，对整体性能有50倍的提升。焊料是第二步会失效的，首先铝线失效，如果换了线下面焊料也会失效。把两个容易失效的地方烧结银取代，然后再用铜线取代，可以得到一个大的提升。
上面是我们两个针对IGBT产品设计解决方案。我们再看工程服务。很多客人在做测试还是有很多时候希望有更高的支持，基于这样的诉求，我们推出整体的工程服务，工程服务包括几方面，从一开始的仿真，客人在做初期设计的时候，根据我们很多材料数据库，我们帮他做很多初期仿真，建议优化设计，帮客人做好设计之后可以做一些初始样品，想把模块产品封装好，客人提供芯片，我们可以帮他做模块的封装，再帮客人做一系列测试验证，这些都可以做，目前我们做样品的封装服务在德国，后面会把实验室复制到上海，让亚太客人更方便地做样品的封装。
中间我们也在开展很多类似课程，含铅焊料豁免马上就被终止，烧结银很多客人购买了也使用了，但是很多地方还不能很好理解。我们就开展两天的课程，让客人能够实实在在感受到这种材料怎么做。我们在德国有两台烧结银基台，可以帮助客人验证了哪个基台更合适。市面上，就算设备供应商也没有那么多样品设备让客人测试。目前我们在考虑购进第三家烧结银覆盖整个系列。
这是我们在德国的实验室设备，基本都是和一线大厂设备同步，所以这是目前让我们做一些工程服务，同时去年10月份我们在上海建立了这样的1：1比例的实验基台，按照德国方式和中国市场进行更多服务，希望我们的设备能够更好服务中国市场，欢迎大家到我们实验室进行参观。谢谢。
沪公网安备31010702008139