市场 | 主驱应用渗透率再攀升，聊聊碳化硅模组可靠性如何保证？

4月25日，以“新时代 新汽车”为主题的2024北京车展拉开帷幕，“新能源汽车”成最大亮点。此次参展的新能源车型多达278个，其中，碳化硅和800V高压平台上车成为今年车展的一大看点。

本次车展展出了超70余款碳化硅车型，占本届车展展出车型的近30%比例。碳化硅上车与否，与整车动力系统的“高性能”仿佛画上了等号。

2023年以来，众多车企在新能源汽车的续航里程与补能速度上发力，800V车型由此接踵落地，这进一步加速碳化硅规模上车。800V系统平台搭载碳化硅，能有效缓解续航和补能焦虑，因此两者被称为“绝配CP”。

在车展上我们看到，搭载800V架构的全新问界M5、享界S9、蔚来乐道L60、极氪MIX、星途星纪元ET等新车型纷纷亮相。碳化硅正在加速进入日常消费者的视线，成为购买电车的主要关注点之一，碳化硅车型的市场渗透率还有望进一步提高。

谈及碳化硅功率器件的优势，主要体现在车辆的动力控制和充电单元。在动力控制单元，碳化硅的优势是轻量化。更高的热导率，可实现散热器的更低体积和成本。相同功率等级，功率模块的体积也小于硅基模块。在充电单元，碳化硅可以增加续航里程。高压、高频和高温工作，相同续航下对电池容量的需求更低。通过实验测算，碳化硅能使整车续航里程提升 5%~10%。

当前的新能源汽车竞争中，为了满足车主在续航和充电两方面的需求，各大车企已经将“800V高压充电平台”当作研发标配。在2023年年底小米SU 7发布会上，雷军更是表示小米自研的800V碳化硅高压平台实现了871V的最高电压。智己LS 6也宣称搭载了“准900V充电平台”。

“800V+”的高压充电平台将可能成为新能源汽车行业新趋势。那么，为提升新能源利用效率立下了“汗马功劳”的碳化硅产品，在“800V+”时代，又会迎来什么挑战？

最大的问题，还是可靠性问题

实际上讲，任何产品都有可靠性，拿一截铁丝举例，反复用手掰来掰去，多试几次，最后你会发现弯曲的地方变形并且发热，最后断裂。其本质就是循环应力-应变导致的产品失效。

主驱中的功率模组也面临着该类问题，模组封装时芯片底部和陶瓷衬板焊接层，以及芯片顶部与键合线等区域，由于处于不同材料的分界处，在热应力的作用下热应变不一致（热胀冷缩的幅度不一样），对模组的可靠性产生较大的影响。

功率模块的可靠性设计，相当于在模块在汽车中的使用寿命的设计。由于在主驱系统的使用中通常工况较为恶劣，一旦出问题就会导致整车失去动力，影响十分严重。所以在一款模组推出之前，一定会经过大量的可靠性测试工作来评估该款产品在各个环境下的使用寿命。

2018年4月，由奥迪、BMW、戴姆勒、保时捷、大众等汽车行业的厂商代表编制， ECPE 欧洲电力电子研究网络发布了一款针对电力电子模组测试的标准，AGQ324，模组产品基本只有完成了根据它的测试规范设计的测试计划才能得到广大的车厂认可。此后多年，是否通过AGQ324验证，被视作功率模组上车的首要门槛。

AQG324是利用多项特性测试确保参加测试的模块的基本特性，从而建立一个特性参数的标准，用来和后面的一些寿命相关测试比对，并作为失效的判断标准。

其中，环境测试侧重于机械特性相关的测试。寿命测试则从各方面考核了模块封装以及芯片的可靠性，并且通过功率循环测试结合汽车厂商的路谱（mission profile）可以计算出功率模块的寿命。

碳化硅模组测试的特殊性

与硅基半导体的测试在全球范围内已经有50多年的经验不同，碳化硅的应用时间还非常之短。在碳化硅等宽禁带半导体面世之初，业界一度将硅相同的测试标准，复制粘贴到碳化硅应用上。

然而在过去的几年里，业界发现硅基半导体上的失效模式并不完全适用于碳化硅等宽禁带半导体领域。

举例来说，硅基半导体中的阈值电压（Vth）漂移不那么明显，但碳化硅领域则有很多明显的阈值电压漂移现象，会影响到器件性能。在一些静态测试中，并不能观察出整个阈值电压的漂移，但是通过动态测试之后则能很明显地看到整个门控阈值电压的漂移对整个器件的影响。

阈值电压漂移或是功率器件在开关时，内部导通电阻Rds(ON)实际上对器件性能会产生很大影响。基本上每家供应商的碳化硅器件供都会受到这种影响。

NI全球副总裁、技术负责人Frank Heidemann向我们介绍：近期我们在测试很多器件中发现，这个效应不是短期的，而是长期演进的过程。这种影响贯穿电动汽车的整个生命周期，所以在宽禁带功率器件装车后，随着使用时间的推移，阈值电压漂移就会严重影响到整个电动汽车的开关转化效率和续航，这个结果不是在实验室内短期内通过静态测试能够发现的，而需要通过一些长期动态测试才能发现。

阈值电压漂移其实只是目前碳化硅器件碰到的挑战之一，除此之外还有很多痛点。例如碳化硅的开关频率比IGBT或其他硅基芯片快得多，开关频率高代表电压上升斜率高，dV/dt也会变化很大，这又会诱发出其他缺陷。所以NI希望通过把这个新领域、新技术的特殊物理行为导入测试标准和设备中，这样就能在早期发现器件失效特征。

Frank认为，碳化硅的失效模式和过去硅基半导体失效模式不一样，所以测试方法必须变革。鉴于NI提出了一项用于功率半导体领域的动态测试，以找到更多材料或元器件失效模式来解决行业挑战。

那么对于功率器件可靠性测试而言，什么是静态测试，什么又是动态测试呢？

举例来说，静态栅极测试就是按照AQG-324标准，在多个器件的栅极上施加一个电压数千小时，并且监视基本的漏电流参数。但静态测试的缺点是不能反馈出真实的状况，因为真实工况下不可能有恒定的激励，所以要通过动态测试，尽量让这个器件靠近实际工况。

动态栅极测试包括如DGS、动态HTGB、DRB、动态H3TRB或高温DGB等，会向栅极施加更符合真实应用特性的高 dV/dt 或PWM 信号，激发出不同的工作模式，从而看到原始设备中器件的真实工作行为，并在这个过程中实时监测所有的电压、电流的变化。

“在NI的解决方案中，可以精确地控制每一个数据电压和电流，实时发现器件在这个参数下的缺陷。而不是像过去的方案，只有等到这个器件烧毁了才能发现。”Frank说到，即便在器件被烧毁的情况下，动态测试方案也可以在事后把整个变化过程的所有参数记录下来，方便工程师做事后失效分析。

不过动态测试也面临一些挑战。测试中往往有多达960个被测器件（DUT）都需要动态激励、控制电流和永久监控，如何一次控制这么多器件就是挑战。对此NI也有着不同的解决方案，就算其中一个器件被击穿也不会影响其他器件，并且持续将电流控制在一个限度内，以免烧毁器件。

与Keysight、Tektronix这些测试测量设备大厂相比，NI更专注于为可靠性测试提供完整的测试解决方案，而不仅是仪表设备。

服务对象包含芯片厂商在内，车厂OEM也是NI的主要客户对象，Frank表示：整机 OEM 的故障机制不同，所以与服务芯片厂商的机制也有很大不同，虽然两者都需要做整个器件的失效分析，不同应用场景会有不同失效分析模型，但OEM往往不会“把鸡蛋放在同一个篮子”——不会绑定在某一家特定供应商，不同车型可能会有不同的碳化硅器件供应商，他们需要判断不同供应商产品的性能，或是在不同场景下的失效特性。

当前，越来越多OEM开始建立自己的整条元器件供应链——包括碳化硅器件和模块。例如比亚迪，通过自建供应链结合自用场景和know-how，可以更高效地做自研功率器件的导入和开发。

目前这条产业链的分工是，一些厂商只供应碳化硅芯片，另一些供应碳化硅模组，碳化硅芯片供应给模组厂，模组厂再供应给OEM。未来则有可能OEM直接采购碳化硅芯片，再自己做模组。

“这些情况在现在和将来都会持续发生，因为效率实际上取决于芯片和逆变器的集成度。越来越多的逆变器和 OEM 公司正成为芯片专家，甚至成为自己的芯片供应商。”Frank说到：这时候仅有测量设备是不够的，还需要借助NI这样厂商的Know-how去了解物理失效的影响，并学习和掌握这些影响。

演讲的最后，Frank还是强调了一下行业应该共同携手推动AQG 324从标准到应用的转化，AQG 324标准不仅仅是一套书面规范，它是一个将理论标准转化为实际应用的实用指南。

AQG 324是由汽车行业中的多方利益相关者共同制定的，包括OEMs、半导体公司、模块制造商等，确保了标准的广泛接受和实用性。AQG 324提供了详细的技术指导，帮助企业理解如何将标准应用于实际的功率半导体设计、制造和测试中。

制造商可以依据AQG 324来开发新的功率半导体产品，确保这些产品能够满足汽车行业的特定要求。向客户提供符合高标准的功率半导体，增强市场竞争力。

AQG 324与全球标准化机构的合作，如JEITA和IEC，推动了标准的国际化，有助于全球市场的互操作性。通过提供一个共同的测试和评估平台，AQG 324也有助于企业减少不必要的重复测试，从而降低成本。

AQG 324的转化从标准到应用的过程，是汽车行业不断进步和确保消费者安全的关键部分。通过这种方式，AQG 324成为了连接理论、测试和实际汽车应用之间的桥梁。产业链上下游可以在应用的过程中推动AQG 324不断创新！

来源：碳化硅芯观察

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