随着能源消费结构转型深入推进，功率半导体产业也在这一时代大潮中迎来蓬勃发展。根据分析机构Yole预测，2027年全球功率半导体市场规模将达到596亿美元，其中分立器件与功率模块市场将达到305亿美元，成为市场增量的主要来源。分立器件与功率模块的增长，无疑主要受益于新能源汽车加速渗透普及，Yole预测也显示，2021-2027年，交通运输领域功率半导体需求将从63亿美元猛增至135亿美元，CAGR达到13.5%，跃居为无可争议的功率半导体第一大应用领域。需求侧的深远变化，对分立器件与功率模块技术创新也提出了更高要求，以堪称新能源汽车心脏的主驱逆变器为例，其中使用的功率模块需要实现更高效率、更高工作温度、更高功率密度，这既离不开功率器件本身结构、材料、工艺的进化，也同样有赖于功率模块封装材料的“携手并进”。在日前举行的亚太电力电子领域盛会—上海国际电力元件、可再生能源管理展览会（PCIM Asia 2023）上，集微网对贺利氏电子中国区研发总监张靖博士进行专访，深入了解了这家封装材料巨头对技术趋势的洞察与新产品布局。多年来，覆铜陶瓷基板（DBC）由于兼顾器件互连、导热散热与绝缘性要求，在大功率应用场景中可谓标配。不过随着新能源汽车应用方案对模块功率密度和导热能力要求日益严苛，传统DBC中使用的氧化铝或ZTA（氧化锆增韧氧化铝）陶瓷材料也逐渐逼近性能极限。张靖博士指出，氧化铝在热导率上存在较大不足，难以满足高功率密度、高服役温度的导热散热设计指标，此外，传统氧化铝材料断裂韧性 (Fracture toughness)较低，也就是通俗理解“比较脆”，这也使其在车辆等高动态、高震动环境中难以确保可靠性，此外，氧化铝材料的热膨胀系数（CTE）与硅接近，但高于新兴功率半导体材料碳化硅，因此在功率模块中与碳化硅器件的匹配也存在一定问题。正是由于上述局限性的凸显，陶瓷基板更新换代已成为供应链共识，而在氮化铝和氮化硅这两种候选材料中，氮化铝断裂韧性甚至不及氧化铝材料，如果要在实际模块中应用，其增加的厚度就大大抵消了导热能力的优势，因此在新一代车规功率模块基板材料中，氮化硅几乎是“天选之子”，在热导率、韧性、强度、CTE匹配上几乎全面超越了传统氧化铝材料。然而基于氮化硅陶瓷材料的新一代AMB（活性金属钎焊）陶瓷基板规模应用，当前同样受限于其较传统DBC基板更高的成本，在特斯拉TPAK等标杆应用案例后普及步伐尚待加速。参照碳化硅器件广为人知的曲折商业化之路，只有成本有效降低，才能改变用户侧成本收益等式，充分兑现其技术潜能，而贺利氏电子在这一领域，已做出了意义非凡的探索。张靖博士分析，氮化硅AMB基板的高成本主要来自三个方面：新型陶瓷材料本身供应链培育中的固有高成本；铜片与陶瓷之间的钎焊料通常含有大量贵金属银；AMB基板制作需要用到真空炉工艺，低产率进一步拉高成本。根据张靖博士介绍，贺利氏电子新推出的无银AMB氮化硅基板Condura™.ultra，则依托公司强大技术能力和对用户需求洞察，卓有成效地破解了上述三大“痛点”。
首先，张靖博士指出氮化硅材料热导率等固有性能往往对用户需求而言已属“过剩”（overqualified），例如基于传统模块设计，陶瓷基板通过焊接与散热板（Baseplate）连接，如果焊接层导热率只有50，则AMB基板的导热优势仍然会被这一瓶颈所抵消。正是基于这一深度洞察，贺利氏电子通过氮化硅材料成分的调整，寻求填补AMB与DBC之间的性价比断层，为客户提供其应用方案最适性能下的最佳成本。其次，传统钎焊料中往往含银量可达60%，在高产量下对用户而言同样是一个不小的负担，而贺利氏电子基于其独有技术，突破性地实现了无银钎焊料，从而进一步强化了其氮化硅AMB基板的成本优势。最后，无银基板还带来了工艺上的重大优化，可实现氮气环境中烧结而无需真空，从而极大便利了工艺流程的连续进行，更高产率自然也会带来更低的成本。张靖博士透露，一系列技术创新后，贺利氏电子无银AMB基板在苛刻的环境测试和寿命测试中表现上佳，他还强调，除了成本与性能的固有优势，公司在供应链体系上同样能够为客户提供重大价值，“到最后你会发现是不是有足够的氮化硅基板，市场上你是不是能买得到，是不是能稳定的去供货，这其实是非常重要的东西”。而在这方面，贺利氏电子同样已有前瞻布局，与诸多上游供应商已达成战略合作关系。众所周知，碳化硅（SiC）功率模块正在抵达替代硅基IGBT方案的成本临界点，其缩短充电时间、增加续航里程的用户体验价值也因此日益焕发吸引力，装车应用在2023年已有明显加速势头，根据Yole数据，预计2027年碳化硅器件、模块市场规模有望达到63亿美元，其中70%将用于汽车行业。除了无银AMB基板，贺利氏电子在此次PCIM期间，还展出了包括烧结膏、铜线、大面积烧结技术乃至Die Top System(DTS)材料系统在内的完整解决方案，可覆盖新一代碳化硅功率模块封装的各类工程需求。例如碳化硅模块封装中，由于工作温度等因素，银烧结已经成为“刚需”，而贺利氏电子展出的经典产品mAgic PE338印刷型烧结银适配有压烧结工艺，拥有专利认证的高度可靠材料，通过优异的结合强度和导热性能，可以提升SiC和GaN宽禁带器件的工作寿命，与封装企业原有工艺工装可无缝衔接。张靖博士还谈到，结合烧结料和氮化硅AMB基板的优异力学特性，贺利氏电子还可帮助客户应用大面积烧结技术，使陶瓷基板直接与散热器连接，能有效降低整体热阻，间接有助于提高器件载流能力，减少模块方案中昂贵的功率器件用量。再如打线(Wire Bonding)这一模块制造的核心工序中，传统的打线方式是铝线互连，但随着碳化硅功率模块向大功率、高功率密度方向演进，铝线导电导热性能差、熔点低的短板愈发明显，往往成为器件早期失效的主因。而在以铜为基础的新一代内互连技术中，铜片（Clip）烧结互连虽然看似成本较低，但工艺成本高、灵活性差、裕量小，良率低。更重要的是，Clip互联还会带来较大的热应力，在可靠性方面与DTS铜线互联有较大的差距。正因如此，粗铜线键合当前被普遍视为车规功率模块的首选互连技术，结合烧结银工艺可显著提高产品可靠性，不过其互连通常需要芯片上表面形成一层薄铜层以保护芯片免遭机械损伤。而贺利氏电子DTS解决方案，正是独创性地解决了这一需求，也被张靖博士评价为“芯片上表面互连目前最理想的解决方案”。相较于前道工艺中电镀铜层等技术路线，DTS系统可低成本实现铜箔烧结，兼容模块封装常见设备，芯片上表面温度分布显著优化，最高温度可下降近十度。芯片上表面铜箔配合铜线、烧结银、陶瓷基板所构成的DTS材料系统，既代表了贺利氏电子在封装材料领域的深厚技术积累，也折射出公司的清晰业务定位，正如张靖博士所言，贺利氏电子的定位是提供封装材料一站式解决方案，这对客户而言无疑是更优的选择。目前，亚洲市场已经占到贺利氏电子全球营收的35%，员工占比也达到27%，其中大部分都是在中国，足见中国市场对贺利氏电子的重要意义。专访的尾声，张靖博士还分享了贺利氏电子在本土化上的思考和实践。在张靖看来，以电动汽车为标志，中国新能源产业链的崛起趋势业已明朗，在功率模块这一环节未来也将占据比较领先的位置，贺利氏电子秉持着在中国、为中国的理念，也始终积极融入这一趋势。他以上海创新中心为例，指出贺利氏电子在华研发能力建设绝非简单的应用支持，上海创新中心在为客户提供深度工程服务的同时，也已经成长为贺利氏电子内部创新研发的重要力量。张靖还谈到，贺利氏电子在销售、生产两端的本土化也正持续深入，例如公司已宣布将在常熟投资新建AMB基板工厂，最终目标是基于中国供应链来提供创新产品，为本土客户保障供应安全。与此同时，通过与本土设备供应商、科研院所的合作，贺利氏电子在中国功率半导体产业生态中的建设性作用，也正在不断凸显。*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，碳化硅芯观察转载仅为了传达观点，仅代表碳化硅芯观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系碳化硅芯观察。
