采埃孚芯片内嵌式(CIPB)逆变砖的深度解析 |一个只有两个iPhone大小的颠覆性解决方案

文摘   汽车   2024-11-20 06:46   上海  

- 采埃孚最新功率芯片内嵌式(CIPB)逆变砖方案解读
- 作者:采埃孚官方
在保证原文核心主旨基础上,内容进行了裁剪、扩展,做了结构化梳理、补充了解释说明

- 1000+先进电动汽车动力系统解决方案报告与解析已上传知识星球,欢迎学习交流


导语:在今年7月的TMC动力系统峰会上,采埃孚发表了一场以“下一代亚太市场电驱平台”为主题的精彩报告。采埃孚通过深入的市场调研和技术分析,详细阐述了下一代电驱动系统的市场需求。秉承模块化理念和架构思维,他们巧妙融合零部件的迭代与创新,成功打造出“甜甜圈”和“字典”两大核心平台,完美践行了其最初的设计理念和目标:更小、更轻、更强、更高效
这其中,让我印象最为深刻的是亚太区研发团队的一项自主创新——芯片内嵌式逆变器(Chip Inlay Power Board, CIPB)。这项技术巧妙地将功率半导体芯片嵌入PCB之中,实现紧凑+轻量化的设计的同时,获取了高功率密度、高的灵活性、优秀的可扩展性更低的成本。遗憾的是,一直未能亲眼见证这一创新成果的实物风采,近期采埃孚官方的这一报道填补了我的好奇心,下面我们一起来看看采埃孚CIPB的真实面貌和TA的故事

目录

1. 芯片内嵌技术的历史沿革与技术特点

2. 芯片内嵌技术的挑战 & 采埃孚CIPB方案优势

  • 2.1 CIPB的强性能:突破芯片内嵌在高压大功率应用

  • 2.2 CIPB的高兼容性和紧凑性

  • 2.3 CIPB的高效率功率

  • 2.4 CIPB平台化超高功率密度逆变器系统

3. 采埃孚CIPB开发及工业化进程

  • 3.1 CIPB技术下逆变器功能、性能、耐久性验证

  • 3.2 CIPB基础上实现的SiC&Si混合应用

4. 总结


01

芯片内嵌技术的历史沿革与技术特点

在电驱动行业内,功率模块封装的技术路线仍在不断发展演进。各公司对功率模块的关键指标的期望持续提升,如功率密度,成本,可靠性、综合性能等。
电子元器件内嵌至PCB层间的技术构想已提出数十年,并在消费电子,工业和汽车领域取得了长足的发展。从最初内嵌电阻电容等被动元器件到复杂的集成电路芯片,甚至中低压小功率半导体,均已有基于PCB的内嵌技术的成熟应用。
PCB的多层结构及其材料的特性为功率半导体保护电气互联提供了得天独厚的有利条件。结合有效的PCB架构设计和材料的选择,将功率半导体以一定形式嵌入到PCB层间,由此形成的功率方案各方面性能均优于传统封装形式的功率模块。而PCB的尺寸和形状多变的特点,也为芯片内嵌的功率模块提供了极其出色的可扩展能力灵活多变的应用场景

以PCB为主体的芯片内嵌技术,在全方位提升功率模块综合性能的同时,赋予了PCB行业新的使命;在盘活现有产能的基础上,显著降低生产功率模块的投资和产品导入的时间

图片来源:Fraunhofer IZM


02

芯片内嵌技术的挑战 & 采埃孚CIPB方案优势

对于高压功率半导体,将其可靠稳定地内嵌到PCB中,并且满足汽车行业苛刻的应用条件,需要克服诸多挑战,这一点毋庸置疑。采埃孚公司充分发挥多年来积累的功率电子PCB设计与应用经验,成功打通了设计、测试、供应链、生产等全链条关键壁垒。在创新和中国速度的驱动之下,快速形成了拥有全系芯片内嵌自主知识产权的采埃孚CIPB(Chip Inlay Power Board)技术和相关产品。CIPB功率模组逆变器系统的设计及验证结果表明了该技术在性能、功率密度、效率、可靠性及平台化等方面的显著优势。

  • 2.1 CIPB的强性能:突破芯片内嵌在高压大功率应用

采埃孚CIPB(Chip Inlay Power Board)结合高压大功率半导体应用场景特殊性,针对内嵌芯片至PCB层间的芯片布局、热管理、动态特性、端口设计等方面,形成了与原有适应中低压小功率场景下的芯片内嵌方案不同的技术路径。因此,相较于市场已有芯片内嵌技术,以及行业内广泛采用的框架式及塑封式功率模块,在等效“功率模块”(功率板和散热底板)面积、体积、SiC芯片电流密度和损耗等方面、采埃孚CIPB方案均实现了大幅度升,真正实现了内嵌技术在高压大功率场景下的应用
图片来源:ZF

2.2 CIPB的高兼容性

新能源汽车整车市场的高强度竞争导致了产品的快速迭代与动态且多样化的电驱动产品需求。对此,采埃孚CIPB方案在功率单元层面,对于不同的芯片类型(SiC/Si)电压平台(400V/800V)芯片面积供应商选择芯片并联数量等变量,提供了统一的裸片处理与贴装解决方案

|SysPro备注:这里关键是"统一"二字,这里面意味着多重含义

1. 可以采用标准化的生产流程和设备,从而减少了生产过程中的转换和调整时间,提高了整体的生产效率

2. 规模采购、化生产也会带来成本优势

3. 对于产品而言,即使不同的供应商和芯片并联数量,也能保持较高的兼容性,降低了因更换供应商或调整并联数量而产生的技术风险

结合CIPB功率板,可以在功率半导体芯片级别实现高自由度低颗粒度局,以及PCB形状接口可自定义属性,CIPB功率核心可以轻松适配多样的整机外形及固定点需求。对于主机厂客户在不同车型下定义的多类型电驱动结构,可以在有足够功率密度优势的情况下,轻松应对动态且多样的复杂应用场景。

|SysPro备注:上面这段话可能不太好理解,写地有点模糊。

通俗点说,在设计CIPB功率板时,工程师可以根据具体的应用需求和性能要求,自由地选择芯片的类型、数量、布局和排列方式等,以实现最优的电路设计和性能表现

此外,由于CIPB接口可以根据实际的应用需求自由定义,对于由于整车边界或接口分解而来的限制约束,可以更好地处理。这一点非常好,用过框架式功率模块的朋友应该对pin-to-pin带来的痛苦深有体会...

另外,上面没有提到,其实这种低颗粒度的布局最大的好处是:减少不必要的寄生电感和电阻,能提高电气性能。

图片来源:ZF
最后还有一点,ZF官方没有提到,但是上图中已经说明了,其长、宽、高分别为139mm、136mm、51mm,可以输出≥600Arms的电流这是什么概念呢?
下图是Iphone最新发布的Iphone16 6.1寸的大小,这个CIPB逆变模组的长宽尺寸=两个Iphone16并排在一起的大小...

图片来源:Iphone


2.3 CIPB的高效率功率
效率是电力电子产品关键指标,尤其在车载电驱动应用中,高效率意= 更长的续航里程 or 更低的电池容量。采埃孚CIPB功率核心从多方面降低了功率半导体损耗提升运行效率|SysPro备注:具体都有哪些呢?
例如,通过合理的功率回路设计提升并联功率半导体芯片均流性回路杂散参数。从电容芯子应用到电容输出母排连接,以及CIPB内部芯片排布到功率交直流路径优化,在回路杂散参数和均流性方面均达到远优于传统功率模块的设计指标,从而实现更佳的动静态性能,进而减小功率半导体芯片的开关和导通损耗,提升系统效率。
图片来源:ZF

2.4 CIPB平台化超高功率密度逆变器系统
基于传统功率模块的逆变器其机电一体化布局很大程度上受制于功率模块的既有设计,如母线电容之后的直流输入、AC输出、冷却流道、功率模块长/宽/高等机械尺寸等。而采埃孚CIPB则提供了逆变器系统设计的不同思路。芯片内嵌技术在PCB设计和制造端具有高度灵活性,逆变器机电一体化布局可以实现更为紧凑且灵活多变的整体方案
相较于采埃孚一代同类型产品,采埃孚1200V SiC逆变器系统在功率密度指标形成了类指数增长曲线,展示了采用芯片内嵌技术的CIPB方案在车载电力电子产品领域的巨大潜力。
|SysPro备注:这一点特别有意思,很多公司都在提"高度灵活、紧凑多变"等,但都没有从本质上解决这个问题。功率模块是控制器实现这点的关键。我在TMC会上关注到ZF这款产品的设计理念是:
  • 模块化理念+架构思维:实现基础部分

  • 零部件的迭代和创新:实现扩展性、多样化

这个概念老生常谈,但是真正让我深刻感受到的正是这款产品。具体而言就是:ZF亚太区正在打造一款基于平台概念广泛衍射的产品,除了要覆盖不同的应用场景之外,要做到更小、更轻、更强、更高效这是因为"整车空间 = 成本",紧凑、高效且强大的产品构型可以为整车客户带来成本上的帮助。
所以,ZF这个平台方案的核心要素在于其高扭矩密度紧凑设计。从TMC上了解,关于功率密度,ZF的CIPB逆变器通过的优化芯片布局、热管理、动态特性、端口设计等手段,逆变器层级实现了超过120 kW/l的功率密度。

图片来源:ZF


03
采埃孚CIPB开发及工业化进程

|SysPro备注:下面讲的是这一技术方案做成熟度如何?

3.1 CIPB技术下逆变器功能、性能、耐久性验证
从2023开始,该技术方案率先在采埃孚1200V SiC逆变器平台产品中陆续完成功能、性能验证及关键可靠性关键验证项。性能验证结果表明采埃孚CIPB方案能够满足项目初期定义的极具挑战性的目标。

基于AQG324的耐久性测试,结果表明芯片内嵌技术的CIPB方案优异的寿命表现。

采埃孚耐久测试点重点关注了芯片内嵌功率单元的新型失效模式在分钟&秒级下的功率循环热冲击高温高湿环境下的寿命表现。通过数据对比可以看出,在高强度温度循环下分钟级功率循环测试中,在同等循环次数下CIPB热阻变化远低于某传统功率模块简言之,采埃孚CIPB模组的耐久寿命显著优于传统封装形式的模块。
图片来源:TMC2024 ZF

3.2 CIPB基础上实现的SiC&Si混合应用

在此基础上,采埃孚研发团队在不断挖掘CIPB技术的技术纵深、扩充产品矩阵

在2024年度,已先后完成1200V SiC750V&1200V Si CIPB逆变器/功率核心模组(逆变砖)A/B样开发,其中包含近年行业开发热点的SiC&Si基功率半导体芯片混合应用。功能性能及关键可靠性测试均满足设计目标。

值得一提的是,在CIPB基础上实现的SiC&Si混合应用,即采埃CIPB DualSemi方案,相较于纯SiC应用,可以在系统平均效率相当的前提下实现高性能输出,进一步体现了CIPB在性能,效率,成本及产品适用性方面的巨大潜力。

|SysPro备注:画横线重点关注芯片嵌入技术+SiC&Si混合功率半导体技术:CIPB DualSemi。

图片来源:ATZ

04 总结
采埃孚最新逆变砖采用给了卓尔不同的芯片内嵌技术,与传统封装技术比,显著降低了工业化投资。同时,芯片内嵌技术可以充分利用现有功率模块封装产线中的裸片贴装设备和相关的测试设备。对于PCB生产而言,亦可以利用现有PCB经典工艺和生产设备。采埃孚与行业内出色的供应商互补整合,可以大幅缩短将芯片内嵌技术投入量产的时间,为新能源行业的跨代演进提供强劲的推力。
以上就是采埃孚CIPB的真实面貌和TA的故事。确实很惊艳,能充分感受到采埃孚亚太区研发在背后做的深度思考和努力,这一创新举措,无疑将推动亚太区电动汽车市场的进一步发展。感谢采埃孚提供的设计理念和技术方案,受益匪浅!

图片来源:TMC2024 ZF

以上对采埃孚芯片内嵌式(CIPB)逆变砖的深度解析,感谢你的阅读,希望有所帮助(原始素材来源于ZF官媒,受邀全部内容公开发表)。更多关于芯片嵌入式逆变器技术采埃孚下一代电驱平台的深度解析,可在知识星球「SysPro系统工程智库」专栏中查阅(星球会员点击链接跳转):

  • ZF报告解析 | 采埃孚下一代亚太市场电驱平台 (完整版,7900字)

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2024年11月20日

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