赢得特斯拉ModelS IGBT合同的一段往事(下)

硅谷硅事 2021-03-18

近来芯片业界波澜壮阔,新闻不断,各种缺货的情况下,全球市场一片混乱,到处都在找替代料和备用料,随着疫情下很多新应用的兴起,又有很多新的客户正在崛起,很多从前的经验正在被推翻。未来几年,整个半导体业界,肯定会非常不无聊,等作者整理一些想法再陆续作文,这里把之前的坑先填上。


如前所述,在ModelS逆变器设计中,并联大量大功率IGBT有多达9大难关,简单介绍一些当时的一些历程:


  1. 具体哪些参数最为重要?能否只限制很少的几个参数?


作者当时先在实验室搭了个较简单的测试板(如下图),同一开关只并联6颗IGBT,做半桥的设计。因为作为IGBT的生产方,可以自由取得几百上千颗不同参数分布的样品。这里就用笨办法,选择部分在某些参数上很接近,而其他某参数差异较大的样品,然后实验各种组合,以确定对于并联时电流的均匀分布较为重要的一些参数。当时的结论是IGBT导通阻抗和二极管反恢特性较为重要。而IGBT门级开通电压,二极管导通压降的重要性其次。其他参数重要性更低。



2. 对于并联大量IGBT的场合,根据现有的生产参数分布历史,是否需要,和如何对这些参数的分布做出进一步限制?对二极管有同样的问题。

3. 如果划分的限制太严格,造成的良率太低,首先特斯拉无法承担这样的价格,也无法上规模量产,而我们淘汰下来的产品又能卖给谁?而如果限制太松,实验室测几台或许没事,但是每年如果生产大量的车,路上出了事故,又如何处理?


在确定了这些重要参数以后,第二个难点就是根据不同日期,不同批次的IGBT产品,要确定其参数分布的所有历史数据,研究是否加以4西格玛或者6西格玛的限制以提高其一致性。特斯拉当然很理解我们不愿意加以太严格的限制,使得良率太低而生产上无法盈利,因此与我们做了很多讨论,也互相配合做了不少实验。


根据几个月的实验结果,对特斯拉和我们都能接受的方案,是将我们生产的所有IGBT和二极管,按照某两个参数A和B,各分成两部分出货,因此一共有四个特殊芯片料号。比如说,如果某IGBT在A参数和B参数上都偏小,那么就编入特殊料号01, 如果A参数和B参数上都偏多,那么就编入特殊料号02,依此类推。特斯拉在内部生产管控时,只需要规定对于任意某台逆变器,其中的IGBT只能完全使用4种特殊料号之一即可。如此特斯拉既得到了相对参数分布比较严格的芯片,我们的生产也可以保持较高良率。当然在生产上仍然有一定的麻烦,然而至少可以接受。


4. 如何一次性驱动如此之多,多达96颗的IGBT?


我们当时为此还定义了高压,驱动能力极强的门驱动IC去特斯拉推广,结果对方很客气的说其实他们用离散器件已经搭了一套电路出来,效果还不错。


特斯拉的工程师作风和苹果非常不同,特斯拉当年规模还非常小,是有困难自己先上,但是苹果的人,比较偏爱往后一躺,让芯片厂商们来解决问题。久而久之,接触过特斯拉的人水平都比较高。


5. 并联多了,总需要一个小于1的安全系数,比如10颗100安的芯片并联,也许标定在0.8的系数,总共800安稍微安全一些,然而谁能拍板说某个安全系数就一定安全?


这个系数的决定,当然也离不开大量测试。了解了系统的设计上限,后面可以用软件加以进一步限制,所以我们曾经听说特斯拉用软件更新而使客户能够多一点里程,当然是系统本身的设计上限不止于已经发布的部分,可能发布时相对比较保守,而做了大量后期测试后可以让软件的限制更加靠近设计上限。


6. 整体布局如何做法?


从题图可见,这是一个类似六边形的整体逆变器设计,每相各占据一侧,IGBT在每侧并成一排,更具体的拆解报告网上可得,这里不再赘述。


7. 热处理如何做法?

8. 安装如何做法?我司当年的推荐,不外乎用夹子夹,或者用金属条压(因为这种SuperTO247没有螺丝过孔),然而这样的做法比较适合电磁炉等静态的应用,谁也没有信心说在车辆振动环境里就没有长期的问题。而雪上加霜的是,特斯拉希望可以直接焊上散热片(提高散热效率),如此需要非常特别的安装工艺,连我司原厂自有的封装厂长当年都不知道如何做。


特斯拉从最开始的接触,就明确表示不希望用夹子夹,或者金属条压,觉得在车辆运行环境中是无法耐久的(我们也认为如此),因此他们想做的是直接焊,在问我们要了IGBT内部的焊接工艺细节以后,自己做了低温焊实验,表示效果可以满意。

后续是,特斯拉又希望自己做IGBT的银烧结工艺,以进一步提高热处理水平和可靠性,为此不惜从斯坦福的机械系挖了个教授过来负责芯片的焊接工艺。再后来,IR被英飞凌收购以后,我又听说他们在合作开发新的激光焊工艺。


电子公司的一大挑战,就是如何在无人理解和关注的细节上,能够保持长期的投入和持续的技术革新。这一点,对于很多以营销为主的国产公司是难以做到的。


9. 如何做出极端情况下的过电流和过温度保护设计?


这点对于普通的IGBT,确实是存在很大的困难,因为温度和电流检测器件的安装在IGBT的封装之外,势必在保护响应上存在一定的延时,这些延时可能从几十微秒到毫秒,在并联大量IGBT的系统中,从延时到响应到做出保护的动作,可能IGBT已经烧坏,造成整个系统的崩溃。


当年我们同时也与丰田的电动车部门合作,丰田要求定制IGBT晶圆,在上面集成电流和温度检测功能,这样集成在器件本身的保护,可以响应更加迅速。在特斯拉的逆变器上当年还没有来得及采用这样的技术,可能是通过留够余量,从系统的全局进行保护。



后记:这篇写得比较匆忙,疫情之下和太太双职工无外援带两个小娃太辛苦了。希望不太累的时候,能给读者贡献一些更好的内容。


硅谷硅事 公众号“硅谷硅事”。作者在硅谷做芯片公司的产品线经理,分享一些在美国芯片行业做产品战略和市场管理的故事,也包括其他关于芯片和电子行业的评论和思考
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