CAN 协议即控制器局域网络 (Controller Area Network)简称，由研发和生产汽车电子产品著称的德国 BOSCH 公司开发，成为国际标准ISO11519以及ISO11898。
永磁同步电机之所以牛，关键在转子里藏着的磁铁阵法。今天咱们用大白话聊聊，转子里磁铁怎么摆、怎么造，才能让电机又猛又耐用！ 一、转子永磁体布局 1. 表贴式 特点：把磁铁像贴瓷砖一样粘在转子表面 优点： 结构简单，便宜好造 磁场强，适合需要高转速的场合 缺点： 磁铁容易被甩飞（超高速时加碳纤维套捆住） 怕高温，高温易退磁（下图来源：网络/百度图片） 2. 插入式 特点：在转子上挖槽，把磁铁嵌进去（类似手机卡插进卡槽） 优点： 磁铁更安全，适合高速、大扭矩 能利用磁阻转矩，省电！ 缺点： 结构复杂，成本高 磁铁利用率低（部分磁路被铁芯吃掉） 3. Halbach阵列 特点：把磁铁按特定角度排列，像拼七巧板 优点： 磁场增强30%，省磁铁 转矩稳，噪音小 缺点： 加工难度逆天，贵到肉疼 装配时稍歪一点就废了（下图来源：网络/百度图片） 下图为3种布局区别表：（下图来源：网络/百度图片） 二、磁铁布局怎么选 要便宜耐用：选表贴式（家用电器、小功率电机） 要性能猛还省电：选插入式（电动车、工业电机） 不差钱追求极致：Halbach阵列（精密仪器、航天设备） 三、转子制造工艺 1. 永磁体加工 钕铁硼磁铁：怕生锈，得镀三层“铠甲”（如：镍+铜+镍） 烧结温度控制：像烤饼干，温度差5℃磁力就变弱 精度要求：切割误差不能超过头发丝直径（±0.02mm） 2. 铁芯叠片 硅钢片要压得紧实（叠压系数＞98%） 激光焊接：变形比头发丝还细（＜0.05mm） 防锈处理：如：泡绝缘漆，防锈（下图来源：网络/百度图片） 3. 装配 磁铁排序：可用机器视觉识别磁极，装反了直接报废 热套装配：把转子加热到150℃，趁热把磁铁塞进去 动平衡测试：转起来后，偏差超过1(或2)克就得打孔减重(根据精度等级，如G2.5级) 四、趋势： 省稀土：用铁氧体+钕铁硼混搭，成本降30% 3D打印磁铁：想要什么形状就打什么，还能局部加强磁场 智能调磁：跑高速时自动削弱磁场，省电不发热（下图来源：网络/百度图片） 总结： 转子设计需在电磁性能、机械强度和工艺可行性间取得平衡。随着拓扑优化技术的突破，下一代永磁转子将实现超高效率的行业新标杆。
一、信号输入与输出设备概述 在PLC控制电机正反转的系统中，我们首先需要明确输入与输出设备。输入设备包括正转启动按钮（通常标记为SB1）、停止按钮（标记为SB3）和反转启动按钮（标记为SB2）。这些按钮作为控制信号，用于操作电机的运行状态。输出设备则是电动机正转接触器线圈（KM1）和反转接触器线圈（KM2），它们分别负责控制电机的正转和反转。 二、硬件配置与连接 根据电机和PLC的具体型号，我们需要进行硬件配置和连接。首先，需确认电机的功率、电压等关键参数，以及PLC的输入输出点数和性能需求。接着，选择合适的电源，确保电机和PLC获得稳定的电力供应。然后，安装输入模块以接收按钮等控制信号，安装输出模块以驱动接触器线圈等执行设备。 三、输入输出地址配置 在PLC编程环境中，我们为输入和输出信号分配特定的地址，便于在程序中进行引用。例如，将正转启动按钮SB1的地址设为X0，停止按钮SB3的地址设为X2，反转启动按钮SB2的地址设为X1。同时，将电动机正转接触器线圈KM1的地址设为Y0，反转接触器线圈KM2的地址设为Y1。 四、正反转控制程序设计 程序设计是实现电机正反转控制的核心。当按下正转启动按钮SB1时，程序会接通正转接触器线圈KM1，使电机开始正转。当按下停止按钮SB3时，程序会断开正转接触器线圈KM1，使电机停止运行。当按下反转启动按钮SB2时，程序会先断开正转接触器线圈KM1，然后接通反转接触器线圈KM2，使电机开始反转。 五、程序仿真与调试 最后，我们需要在PLC编程软件中进行仿真调试，以验证程序的正确性。通过模拟按下正转启动、停止和反转启动按钮，观察电机的转动情况，确保程序能够实现预期的正反转控制。同时，还需检查程序中的互锁逻辑，以防止正转接触器线圈KM1和反转接触器线圈KM2同时通电，导致三相电源短路。在调试过程中，需密切关注电机的运行情况，及时调整程序参数，以达到最佳的控制效果。
配网自动化系统一般由下列层次组成：配电主站、配电子站（常设在变电站内，可选配）、配电远方终端（FTU、DTU、TTU等）和通信网络。配电主站位于城市调度中心，配电子站部署于110kV/35kV变电站，子站负责与所辖区域DTU/TTU/FTU等电力终端设备通信，主站负责与各个子站之间通信。 1、开闭所终端设备（DTU） DTU一般安装在常规的开闭所（站）、户外小型开闭所、环网柜、小型变电站、箱式变电站等处，完成对开关设备的位置信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能量等数据的采集与计算，对开关进行分合闸操作，实现对馈线开关的故障识别、隔离和对非故障区间的恢复供电，部分DTU还具备保护和备用电源自动投入的功能。 1.1 定义 DTU一般安装在常规的开闭所（站）、户外小型开闭所、环网柜、小型变电站、箱式变电站等处，完成对开关设备的位置信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能量等数据的采集与计算，对开关进行分合闸操作，实现对馈线开关的故障识别、隔离和对非故障区间的恢复供电。 1.2 特点 1) 机箱结构采用标准4U半（全）机箱，增强型设计；2）采用后插拔接线方式，整体面板，全封闭设计；3） 率先采用基于CANBUS总线的智能插件方案，极大地减少了插件间接线，完全避免了插件接触不良的隐患，装置运行可靠性高；4）智能插件方案的采用，使机箱母板标准化，便于生产及现场维护；5）装置不同类插件在结构设计时保证不能互插，提高整体安全性；6）采用32位D浮点型SP，系统性能先进；7）采用16位A/D转换芯片，采样精度高； 8）采用大规模可编程逻辑芯片，减少外围电路，提高可靠性；9）大容量存储器设计，使得报文及事故录波完全现场需求；10）采用多层印制板电路和SMT表面贴装技术，装置的抗干扰性能强；11）测量回路精度软件自动校准，免调试，减小现场定检等维护时间；12）超强的电磁兼容能力，能适应恶劣的工作环境；13）功能强大的PC支持工具，具有完善灵活的分析软件，便于事故分析；14）简单可靠的保护处理系统（DSP）与成熟的实时多任务操作系统相结合，既保证功能可靠性，又能满足网络通讯、人机界面的实时性；15）支持RS232/RS485、Enthernet等多种通讯接口,内置Enthernet使得工程应用简单、可靠；16）支持IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104等标准规约；17）各装置独立的掉电保持时钟系统及带对时脉冲的GPS对时系统。 1.3 功能 遥测（1）交流电气测量Ia、Ib 、Ic、In、Uab、Ucb、Ua、Ub、Uc，Un等任意组合，一般Uab和Ucb分别取开关两侧，监视馈线两端的供电情况。（2）两表法或三表法，软件计算出P、Q、Pa、Pb、Pc、f、cos∮等，根据主站需要上传；（3）保护Ia、Ic的记录上传；（4）直流模拟量：两路，电池电压、温度等。遥信 （1）开关状态信号， SOE；（2）开关储能信号、操作电源；（3）压力信号等；（4）电池低电压告警；（5）保护动作和异常信号；（6）其他状态信号。遥控（1）开关的分合，失电后可进行2次以上分合操作；（2）电池的维护；（3）保护信号远方复归；（4）其他遥控。数据传输功能能与上级站进行通信，将采集和处理信息向上发送并接受上级站的控制命令。和上级的校时。其他终端的信息向上转发。电能量信息向上转发。主动上传事故信息（可选功能）。具有当地维护通信接口。通信规约：支持DL/T 634.5101-2002（IEC60870-5-101）、DL/T634.5104-2002（IEC60870-5-104）、DL/T 451-91循环式远动规约、DNP3.0、SC1801、MODBUS等多种通信规约，并可按需要进行扩充。通信接口：RS-232/485、工业以太网、CAN。通信信道：可支持光纤、载波、无线扩频、无线数传电台、CDMA、GPRS以及ADSL等多种通讯形式，由用户任选。故障识别、隔离隔离恢复供电及保护具有速断、延时过电流（复合低电压）保护、重合闸功能 ，根据馈线自动化方案选配。监测故障电流，记录过电流时间、过电流最大值，上报配电子站、配电主站。配电子站、配电主站根据各开关DTU上报过电流故障信息和开关跳闸信息，按照配电网变结构耗散拓扑模型，进行故障区域判断，指出故障区域，生成故障隔离命令序列和非故障区域恢复供电命令序列。自动或人机交互下发执行。就地操作DTU内有分、合闸按钮，实现就地操作。有就地/遥控选择开关，维护放电按钮等。环网功能当DTU设置为联络开关时，根据一侧或二侧PT受电状态，按整定值自动控制开关合分。在开关双侧有电时，禁止联络开关合闸。需要联网运行的，主站要进行专门设置和确认。当一侧失电时，根据FA方案和主站的设置，允许自动合闸的，自动控制合闸，以迅速地恢复供电。定值下装、上传功能速断定值、使能；过电流定值，时间常数、使能；重合闸时间、使能；环网功能设置、取消。当地维护功能通过DTU上的标准通信维护接口，利用专用维护软件进行调试及维护。包括参数定值配置、检查；遥测、遥信、遥控、对时测试召测；数据上传、通信等。自诊断、自恢复功能具有自诊断功能，当发现DTU的内存、时钟、I/O等异常，马上记录并上报。具有上电自恢复功能。电源UPS和电池维护功能满足操作机构、终端设备和通信装置用电。DTU双电源供电，一侧电源失电后仍可持续工作。平时由主电源给DTU供电，同时给电池浮充。双侧电源失电后由电池供电，DTU可继续工作24小时（电台除外）。电池低电压告警保护功能。电池自动维护：在规定的时间内由调度员下发电池维护命令，电池开始放电，电池低电压时自动停止放电，自动切换由主电源供电，并给蓄电池充电。电池充电采用恒压限流充电，确保安全。 2、馈线终端设备（FTU） FTU 是装设在馈线开关旁的开关监控装置。这些馈线开关指的是户外的柱上开关，例如10kV线路上的断路器、负荷开关、分段开关等。一般来说，1台FTU要求能监控1台柱上开关，主要原因是柱上开关大多分散安装，若遇同杆架设情况，这时可以1台FTU监控两台柱上开关。 2.1 定义 FTU 是装设在馈线开关旁的开关监控装置。这些馈线开关指的是户外的柱上开关，例如10kV线路上的断路器、负荷开关、分段开关等。一般来说，1台FTU要求能监控1台柱上开关，主要原因是柱上开关大多分散安装，若遇同杆架设情况，这时可以1台FTU监控两台柱上开关。 2.2 特点 FTU采用了先进的DSP 数字信号处理技术、多CPU集成技术、高速工业网络通信技术，采用嵌入式实时多任务操作系统，稳定性强、可靠性高、实时性好、适应环境广、功能强大，是一种集遥测、遥信、遥控、保护和通信等功能于一体的新一代馈线自动化远方终端装置。适用于城市、农村、企业配电网的自动化工程，完成环网柜、柱上开关的监视、控制和保护以及通信等自动化功能。配合配电子站、主站实现配电线路的正常监控和故障识别、隔离和非故障区段恢复供电。 2.3 功能 遥测（1）交流电气测量Ia、Ib 、Ic、In、Uab、Ucb、Ua、Ub、Uc，Un等任意组合，一般Uab和Ucb分别取开关两侧，监视馈线两端的供电情况。（2）两表法或三表法，软件计算出P、Q、Pa、Pb、Pc、f、cos∮等，根据主站需要上传；（3）保护Ia、Ic的记录上传；（4）直流模拟量：两路，电池电压、温度等。 遥信 （1）开关状态信号， SOE；（2）开关储能信号、操作电源；（3）压力信号等；（4）电池低电压告警；（5）保护动作和异常信号；（6）其他状态信号。遥控（1）开关的分合，失电后可进行2次以上分合操作；（2）电池的维护；（3）保护信号远方复归；（4）其他遥控。数据传输功能能与上级站进行通信，将采集和处理信息向上发送并接受上级站的控制命令。和上级的校时。其他终端的信息向上转发。电能量信息向上转发。主动上传事故信息（可选功能）。具有当地维护通信接口。通信规约：支持DL/T 634.5101-2002（IEC60870-5-101）、DL/T634.5104-2002（IEC60870-5-104）、DL/T 451-91循环式远动规约、DNP3.0、SC1801、MODBUS等多种通信规约，并可按需要进行扩充。通信接口：RS-232/485、工业以太网、CAN。通信信道：可支持光纤、载波、无线扩频、无线数传电台、CDMA、GPRS以及ADSL等多种通讯形式，由用户任选。故障识别、隔离、恢复供电及保护具有速断、延时过电流（复合低电压）保护、重合闸功能，根据馈线自动化方案选配。监测故障电流，记录过电流时间、过电流最大值，上报配电子站、配电主站。配电子站、配电主站根据各开关FTU上报过电流故障信息和开关跳闸信息，按照配电网变结构耗散拓扑模型，进行故障区域判断，指出故障区域，生成故障隔离命令序列和非故障区域恢复供电命令序列。自动或人机交互下发执行。就地操作FTU内有分、合闸按钮，实现就地操作。有就地/遥控选择开关，维护放电按钮等。环网功能当FTU设置为联络开关时，根据一侧或二侧PT受电状态，按整定值自动控制开关合分。在开关双侧有电时，禁止联络开关合闸。需要联网运行的，主站要进行专门设置和确认。当一侧失电时，根据FA方案和主站的设置，允许自动合闸的，自动控制合闸，以迅速地恢复供电。定值下装、上传功能速断定值、使能；过电流定值，时间常数、使能；重合闸时间、使能；环网功能设置、取消。当地维护功能通过FTU上的标准通信维护接口，利用专用维护软件进行调试及维护。包括参数定值配置、检查；遥测、遥信、遥控、对时测试召测；数据上传、通信等。自诊断、自恢复功能具有自诊断功能，当发现FTU的内存、时钟、I/O等异常，马上记录并上报。具有上电自恢复功能。电源UPS和电池维护功能满足操作机构、终端设备和通信装置用电。FTU双电源供电，一侧电源失电后仍可持续工作。平时由主电源给FTU供电，同时给电池浮充。双侧电源失电后由电池供电，FTU可继续工作24小时（电台除外）。电池低电压告警保护功能。电池自动维护：在规定的时间内由调度员下发电池维护命令，电池开始放电，电池低电压时自动停止放电，自动切换由主电源供电，并给蓄电池充电。电池充电采用恒压限流充电，确保安全。 3、配变终端设备（TTU） TTU监测并记录配电变压器运行工况，根据低压侧三相电压、电流采样值，每隔1～2分钟计算一次电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能等运行参数，记录并保存一段时间（一周或一个月）和典型日上述数组的整点值，电压、电流的最大值、最小值及其出现时间，供电中断时间及恢复时间，记录数据保存在装置的不挥发内存中，在装置断电时记录内容不丢失。配网主站通过通信系统定时读取TTU测量值及历史记录，及时发现变压器过负荷及停电等运行问题，根据记录数据，统计分析电压合格率、供电可靠性以及负荷特性，并为负荷预测、配电网规划及事故分析提供基础数据。如不具备通信条件，使用掌上电脑每隔一周或一个月到现场读取记录，事后转存到配网主站或其它分析系统。TTU构成与FTU类似，由于只有数据采集、记录与通信功能，而无控制功能，结构要简单得多。为简化设计及减少成本，TTU由配变低压侧直接变压整流供电，不配备蓄电池。在就地有无功补偿电容器组时，为避免重复投资，TTU要增加电容器投切控制功能。 3.1定义 TTU监测并记录配电变压器运行工况，根据低压侧三相电压、电流采样值，每隔1～2分钟计算一次电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能等运行参数，记录并保存一段时间（一周或一个月）和典型日上述数组的整点值，电压、电流的最大值、最小值及其出现时间，供电中断时间及恢复时间，记录数据保存在装置的不挥发内存中，在装置断电时记录内容不丢失。配网主站通过通信系统定时读取TTU测量值及历史记录，及时发现变压器过负荷及停电等运行问题，根据记录数据，统计分析电压合格率、供电可靠性以及负荷特性，并为负荷预测、配电网规划及事故分析提供基础数据。如不具备通信条件，使用掌上电脑每隔一周或一个月到现场读取记录，事后转存到配网主站或其它分析系统。 3.2特点 适用于供电公司、县级电力公司、发电厂、工矿企业、部队院校、农村乡电管站、100-500KVA配电变压器台变的监测与电能计量，配合用电监察进行线损考核，还能通过GPRS通信网络将所有数据送到用电管理中心，为低压配电网络优化进行提供最真实最准确的决策依据。 3.3功能 ■ “四合一”综合功能集计量、电能质量监测、配变工况监测、无功补偿四项功能于一体。 ■ 智能无功补偿 智能式电容器可自成系统，电容器自动投切，实现自动无功补偿 ■ 组网灵活 遵循国家电网公司与南网公司现行配变监测系统 规约，方便接入电力企业现有的负荷管理系统与配电管理系统，提供完整的电压无功实时信息，亦可独立组成无功实时信息系统 ■ 工程简便 装置 结构简洁，内部接线少而清晰，电容器积木式组合，便于安装、维护，更方便优化调整补偿容量 4、远程终端设备（RTU） 4.1定义 RTU（Remote Terminal Unit）是一种远端测控单元装置，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。与常用的可编程控制器PLC相比，RTU通常要具有优良的通讯能力和更大的存储容量，适用于更恶劣的温度和湿度环境，提供更多的计算功能。正是由于RTU完善的功能，使得RTU产品在SCADA系统中得到了大量的应用。 远程终端设备（RTU）是安装在远程现场的电子设备，用来监视和测量安装在远程现场的传感器和设备。RTU将测得的状态或信号转换成可在通信媒体上发送的数据格式。它还将从中央计算机发送来得数据转换成命令，实现对设备的功能控制。 4.2特点 （1）通讯距离较长；（2）用于各种环境恶劣的工业现场；（3）模块结构化设计，便于扩展 ；（4）在具有遥信、遥测、遥控领域的水利，电力调度，市政调度等行业广泛使用。 4.3功能 (1) 采集状态量并向远方发送，带有光电隔离，遥信变位优先传送； (2) 采集数据量并向远方发送，带有光电隔离；(3) 直接采集系统工频电量，实现对电压、电流、有功、无功的测量并向远方发送 ，可计算正反向电度；(4) 采集脉冲电度量并向远方发送，带有光电隔离；(5) 接收并执行遥控及返校；(6) 程序自恢复；(7) 设备自诊断(故障诊断到插件级)；(8) 设备自调；(9) 通道监视；(10) 接收并执行遥调；(11) 接收并执行校时命令(包括GPS对时功能 选配)；(12) 与两个及两个以上的主站通讯；(13) 采集事件顺序记录并向远方发送；(14) 提供多个数字接口及多个模拟接口；(15) 可对每个接口特性进行远方/当地设置；(16) 提供若干种通信规约,每个接口可以根据远方/当地设置传输不同规约的数据；(17) 接受远方命令,选择发送各类信息；(18) 可转发多个子站远动信息；(19) 当地显示功能，当地接口有隔离器；(20) 支持与扩频、微波、卫星、载波等设备的通讯；(21) 选配及多规约同时运行，如DL451-91 CDT规约，同进应支持POLLING规约和其他国际标准规约（如DNP3.0、SC1801、101规约）；(22) 可通过电信网和电力系统通道进行远方设置。 主要区别：DTU是SOCKET连接的客户端。因此只有DTU是不能完成数据的无线传输的，还需要有后台软件的配合一起使用。FTU与RTU有以下区别：FTU体积小、数量多，可安置在户外馈线上，设有变送器，直接交流采样，抗高温，耐严寒，适应户外恶劣的环境；而RTU安装在户内，对环境要求高；FTU采集的数据量小，通信速率要求较低，可靠性要求较高；而RTU采集的数据量大，通信速率较高，可靠性要求高，有专用通道。TTU则是单一功能单元，仅对配电变压器的信息采集和控制。
电驱系统主要包含电机、电机控制单元、减速器三部分： 多数时候，用户需求决定了产品技术的演进方向。 人们对动力单元的核心需求无外乎是： ①响应要快，动力要猛； ②效率要高，能耗要省； ③故障率低，皮实耐用，稳定可靠。 更多的潜在需求在于： ①集成度足够高，给车内及前后备箱腾更多空间；②成本合理（最终会反映到车价上）；③高转速时不要啸叫吵人； 下图汇总了电车动力单元的核心要素，其实电驱系统的技术和进化都是围绕着这几个方面展开的。 1、电机动力目前已经够用，压榨潜力和必要性不大 在电驱最重要的“动力”属性上，目前大多数的电车都存在动力过剩现象，以36w+的特斯拉 Model3P 为例，加速可以秒掉200w左右的性能油车，3w的宏光MiniEV 起步提速甚至要比很多油车要直接。 △ 部分高性能电机功率参数 也就是说，电机动力在目前在多数电车上已经够用，传统油车的大马力溢价，在电车上已经变得不值钱。上图列出的高功率密度电机，给人的感觉就是电车马力跟白给似的... 车企与其在现有绰绰有余的电机功率上，再花大成本研发新的动力品台，提高动力参数，倒不如把成本分摊到其他用户更能感知的地方。 △ ModelS Plaid 和 Lucid Air 蓝宝石版参数对比 当然，对于少数追求绝对动力加速的性能电车，如特斯拉ModelS Plaid、Lucid Air sapphire、悍马EV、保时捷Taycan TurboS等车型。 这里面有一些新的提升动力的关键技术： 如扁平绕组线圈、端部换位提高槽满率、优化转子结构等方法提高磁满率，进一步提高电机功率和功率密度。 近几年也越来越多车型搭载直瀑式油冷电机，让电机冷却降温更高效，帮助功率输出连续不衰减。 也有通过智能算法优化电机动力输出，来实现更好的动力、能耗、操控稳定的。 个人觉得认为上面的技术都算是电驱核心技术！ △ 部分电机新技术梳理 2、电机能效已接近瓶颈，提升能效需要指望碳化硅的应用 基于第1部分，电机动力对多数用户已经够用甚至过剩的前提，下图是某电机能效Map图，可以清楚看到，在多数日常使用转速区间内，电机的能效都是在90%以上的。 而且目前多数新能源车型搭载的电机最佳能效在90%~95%，甚至部分高效电机达到了96%，此时想要在现有基础上继续提升电机能效，付出的成本将是倍数级增加，对于车企和用户都不那么太划算。 △ 某电机能效MAP图 于是提高电机控制单元中的主逆变器能效，成为提升整个电驱系统能效的新方向。 也就是用SiC碳化硅模块替代目前主流的IGBT模块！ △ 碳化硅材料优点 碳化硅SiC MOSFET 的优点有很多，体积小利于封装和集成、开关/导通响应快且损耗更小、耐压值高（是硅基的10倍）、导热率高利于散热，及更高的功率密度等。 △ 碳化硅优势原理解析 最重要的是使用SiC碳化硅模块的电机控制单元，相比IGBT模块方案，可以实现从电池到电机路径，约5%的效率提升，也就是能给整车省去约5%的能耗。 相比车企多用5%续航所对应的电池成本，还徒增车重带来的负面影响，即便是当前成本相比IGBT更高的碳化硅模块，也是最好的选择！ △ 特斯拉Model3 逆变器采用24颗SiC模块△ 搭载碳化硅模块的车型 上图基于水印图源做二次整理。 另外相比IGBT，碳化硅更耐高压的优势（千伏以上），更适用于后续更多新能源车型将要搭载的800v电气架构，不止用在主逆变器上，还可以应用到高压充电桩、高压电池Pack、OBC充电机、DC-DC转换器上，将有更大的用武之地，能给整车能效和充电体验带来进一步提升！ △ 碳化硅器件在新能源车中的应用 这里要特别表扬下国产品牌比亚迪，BYD是全球唯一实现碳化硅器件自研自产的车企！ 3、集成化大有可为，已是大势所趋，跨系统整合能力会是最核心的技术竞争力，用户价值更高！ 上面主要谈的是电驱系统单个零部件的升级和优化，电驱系统零部件的多合一大集成目前已是行业大势所趋！ △ 比亚迪八合一电驱总成 高度集成的电驱系统，优势有很多： 大大节省体积和减重、降低整体BOM成本、提高一体化装配效率、提高电驱系统整体功率密度等... 对于用户的价值在于，小体积省去更多Layout空间，能得到更大的车内空间和前后备箱容积；减轻重量意味着相同电量能跑更长的续航里程；同时BOM降本也间接降低了用户的购买成本。 电驱系统的演进历史，大致可以分为3个阶段： 15~17年的分体式三大件→18~20年三合一成为主流→21~现在的多合一大集成阶段。 下图整理了电驱系统的演进路线，更加直观易懂！ △ 电驱系统发展演进路线 虽然多合一只是多系统零部件的组合集成，但跨部件、跨领域的系统集成，是非常考验技术和工程能力的，目前只有为数不多有积淀的大厂能够做到。 相比于电机功率提升和能效优化，多合一大集成的所带来的综合收益会更加明显，是当之无愧的新能源汽车电驱系统最重要的核心技术之一！ 4、写在最后的一些感想 正如文中所看到的，中国新能源汽车换道超车在近5年内，无论在电池领域 、电驱领域、以及核心零部件、及核心技术领域，其实已经走在世界前列，成效显著，令人振奋！ 就电驱系统领域而言，国外车企中特斯拉和Lucid在这个领域相对领先，Tire1中博世、大陆、博格华纳、采埃孚等有很多产品和布局，但我们国内有如比亚迪、华为、精进、蔚来XPT等企业也同样掌握诸多Knowhow，甚至还领先半个身位。 国内日渐成熟完善的新能源汽车配套生态，将会成为国产新能源汽车崛起，领先全球的重要推力。 可以预见的是，随着新能源汽车渗透率的不断提高，国产新能源车将不断替代动作缓慢的合资/外资品牌，同时打破合外资品牌的溢价，抢占到更多市场占有率！
CAN（Controller Area Network）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束。 在CAN总线应用中，一般建议使用屏蔽双绞线进行组网、布线，本文将详细讲解为什么CAN总线要采取双绞线的布局。 一.双绞线简介 双绞线是指两条相互绝缘的导线按照一定的规格互相缠绕在一起而制成的一种通用配线。双绞线的主要作用是防止外界电磁干扰，降低自身信号的对外干扰。（即，既可以防止别人干扰自己，也可以降低自身对别人的干扰。） 将一对相互绝缘的金属导线绞合在一起，不仅可以抵御一部分来自外界的电磁波干扰，也可以降低多对绞线之间的相互干扰，其原理是：把两根绝缘的导线互相绞在一起，干扰信号作用在这两根相互绞缠在一起的导线上是一致的（这个干扰信号叫做共模信号），在接收信号的差分电路中可以将共模信号消除，从而提取出有用信号（差模信号）。 双绞线的作用是使外部干扰在两根导线上产生的噪声（在专业领域里，把无用的信号叫做噪声）相同，以便后续的差分电路提取出有用信号，差分电路是一个减法电路，两个输入端同相的信号（共模信号）相互抵消（m-n），反相的信号相当于x-（-y），得到增强。理论上，在双绞线及差分电路中m=n，x=y，相当于干扰信号被完全消除，有用信号加倍，但在实际运行中是有一定差异的。 在一个电缆套管里的，不同线对具有不同的扭绞长度，一般地说，扭绞长度在38.1mm～140mm内，按逆时针方向扭绞，相临线对的扭绞长度在12.7mm以内。双绞线一个扭绞周期的长度，叫做节距，节距越小（扭线越密），抗干扰能力越强。 二.常见双绞线及优点 双绞线常见的有3类线，5类线和超5类线，以及最新的6类线，前者线径细而后者线径粗，型号如下： 1）一类线：主要用于语音传输（一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆），不同于数据传输。 2）二类线：传输频率为1MHZ，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输，常见于使用4MBPS规范令牌传递协议的旧的令牌网。 3）三类线：指目前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆，该电缆的传输频率16MHz，用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输主要用于10BASE-T。 4）四类线：该类电缆的传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输主要用于基于令牌的局域网和10BASE-T/100BASE-T。 5）五类线：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输率为100MHz，用于语音传输和最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于100BASE-T和10BASE-T网络。这是最常用的以太网电缆。 6）超五类线：超5类具有衰减小，串扰少，并且具有更高的衰减与串扰的比值（ACR）和信噪比（Structural ReturnLoss）、更小的时延误差，性能得到很大提高。超5类线主要用于千兆位以太网（1000Mbps）。 7）六类线：该类电缆的传输频率为1MHz～250MHz，六类布线系统在200MHz时综合衰减串扰比（PS-ACR）应该有较大的余量，它提供2倍于超五类的带宽。六类布线的传输性能远远高于超五类标准，最适用于传输速率高于1Gbps的应用。六类与超五类的一个重要的不同点在于：改善了在串扰以及回波损耗方面的性能，对于新一代全双工的高速网络应用而言，优良的回波损耗性能是极重要的。六类标准中取消了基本链路模型，布线标准采用星形的拓扑结构，要求的布线距离为：永久链路的长度不能超过90m，信道长度不能超过100m。 目前，双绞线可分为非屏蔽双绞线（UTP=UNSHILDED TWISTED PAIR）和屏蔽双绞线（STP=SHIELDED TWISTEDPAIR）。屏蔽双绞线电缆的外层由铝铂包裹，以减小辐射，但并不能完全消除辐射，屏蔽双绞线价格相对较高，安装时要比非屏蔽双绞线电缆困难。 三.CAN与双绞线的结合 控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束，CAN总线本身有强大的抗干扰和纠错重发机制。 当CAN被应用于新能源汽车上时，意味着它要在电磁严重的环境下工作，所以如何抗干扰是工程师最为关心的话题。 当CAN总线运用双绞线的时候就可以很好的解决这些干扰问题，CAN接口采用的是差分信号传输方式。差分信号传输是一种使用两个互补电信号进行信息传递的方法。以高速CAN为例，不同的逻辑状态通过CANH、CANL两根信号线进行传输，接收电路只对两根信号线的信号差值进行识别。理想状态下，CAN总线的波形如下图所示： 干扰信号一般以共模的形式存在，当总线受到干扰时，两根总线会同时受影响，但其差分电压并不会受影响，如图2所示。相对于单端信号传输方式来说，差分信号传输方式具有更好的抗干扰能力。 当然，采用了差分传输方式也并不可以高枕无忧。CAN总线经常用于远距离通信，线缆长度的增加，各种干扰通过线缆耦合到总线上，极大地增加了外界对总线通信干扰的概率，如果线缆选用及使用不当，极有可能造成通信异常。对于CAN总线应用，一般我们会推荐使用双绞线。 四.特殊的“双绞线”CAN 除了一种双线CAN外，还有一种单线CAN（Single Wire CAN），单线CAN可以减少一根传输线，但是要求节点间有良好的共地特性（相当于第二根信号线）。单线CAN的信号抗干扰能力相对较弱，在设计中需要提高信号幅度以增加信噪比，如此又会让它自身的辐射能力增加，因此必须降低其信号传输速率以达到电磁兼容的要求。综上，单线CAN仅适合应用在低速的车身电子单元、舒适及娱乐控制领域。低速CAN总线由于信号速度不高，在一根信号线失灵的情况下，仍可工作于单线模式。
1. GPIO 2. 定时器 3. 串行通信 4. 中断功能GPIO 单片机仅靠CPU和内存是无法运行的！ 有效使用单片机不可或缺的“外设功能”是什么呢？ 对电子产品进行控制的单片机是由CPU、内存及外设功能等部分组成的（图1）。CPU根据指令（程序），执行运算、数据的读写以及进行条件判断等，而内存则用来保存该程序（记忆）。 外设功能是指为了使单片机便于使用的各种功能。例如，CPU为了与外部的传感器及开关等进行信号交换，就需要“输入/输出端口(I/O端口)”这种外设功能。 而且，将模拟输入信号转换为数字值的“A/D转换器”以及反过来将数字值转换为模拟输出信号的“D/A转换器”则是单片机对各种信号进行处理时不可或缺的外设功能。 另外，还有为了正确测量时间所用的“定时器”以及提供日期和时计的“实时时钟（RTC）”，用于进行与时间相关的处理，此外还有将并行信号(parallel signal)和串行信号(serial signal)进行互相交换的“UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，通用异步收发器）”等，以便进行通信。 图1：单片机内部结构示意图 了解数字信号的输入/输出端口---“GPIO” 在“输入/输出端口(I/O端口)”中，数字信号的输入/输出端口即“GPIO（General Purpose Input/Output）”也被称为“通用I/O端口”，是一种用于数字信号输入/输出的非常方便的端口。用于将数字输出的传感器值和开关的ON/OFF值传送到单片机的输入端及通过LED来显示单片机的运算结果，以及输出用于驱动电机运行的信号等等。 GPIO被称为通用端口是其引脚既可以用于输入也可以用于输出。在早期的单片机中，引脚都被固定用于输入或输出，但是现在很多单片机中都可以自由地将其设定为输入或输出端口。假设GPIO端子有8个引脚，则可以将4个引脚用于输入，另4个引脚用于输出，也可以将1个引脚用于输入，剩下的7个引脚用于输出。 在GPIO中，为了使CPU和外部设备之间进行数据交换，要相互执行通过程序处理的数字值（0或1）与信号（电压的LOW电平或HIGH电平）的转换。下面是作为RX63N单片机的GPIO端口基础的寄存器（※1）的作用（图2）。 （※1）寄存器（Register）：存在于单片机的CPU和外设功能内部中的记忆回路。用于运算和保持CPU的执行状态。由于是作为CPU及外设功能的内部回路，所以在对内存进行写入和读取时速度很快，但容量却非常小，既有可以用于各种用途的寄存器（通用寄存器），又有用于某些限定的功能和用途的特殊寄存器。 图2：GPIO的基本结构示意图 端口方向寄存器（PDR） 决定引脚方向的寄存器，也称为“方向寄存器”。 端口输入数据寄存器（PIDR） 输入时反映所使用的引脚状态的寄存器。从引脚输入LOW电平或者HIGH电平时会将之转换为0或1的值并读取该转换结果。随着引脚的变化数值也将发生变化。所以不会保持读取时的值。 端口输出数据寄存器（PODR） 此寄存器保存用作输出引脚的输出数据。将0或1的值转换为LOW电平或HIGH电平信号并从引脚输出。由于可以与内存一样保持改写前的值，所以在改写前来自引脚的输出电压也将保持不变。 定时器 一手包办有关时间和时刻的处理！ 在单片机中，不仅频繁地使用“○月○日○点○分”这种时刻显示，显示过去的时间和一定的周期这种形式也被频繁地使用。例如，“该程序从运行开始过去了多少时间？”、“每秒输送128次信号”等等。另外，还经常被用于“等待指定的时间”、“经过指定的时间后将转移到下一个处理”这样的情况。对这些与时间和时刻有关进行处理的外设功能就是定时器（图1）。 图1：定时器就是进行与时间、时刻有关的处理我们也可以不使用外设功能（硬件）的定时器，而是通过软件来计算时间。下面通过图2来说明使用软件来定时的示例，图中假设循环（重复）部分的处理需要费时１μs（微秒：100万分之1秒）。由此可以计算出该循环部分重复1000次需要花费1ms（毫秒：千分之1秒），重复100万次则需费时1秒。即：通过“等待经过循环处理所指定的时间”来计算时间。但是，CPU将会集中进行时间计算的处理而无法进行其他处理。而且，只能计算一个周期的时间。而现实当中，单片机需要对应0.1秒和1/1024秒等各种周期的时间。另外，CPU的计时器频率（驱动速度）也将对软件产生影响。如果将100MHz驱动的CPU改为50MHz，那么循环1次所需的时间将变为原来的两倍。因此，需要对计算时间的软件进行修正。如上所述，由于在管理上既花时间又容易出错，所以要极力避免通过软件来计算时间。图2：通过软件定时的定时器示例 稍微介绍一下中断的内容…… 下面，我们简单介绍一下和定时器不可分割的技术——“中断功能”。单片机中的“中断功能”是指某个程序在执行过程中，因某种原因而发出“开始进行其他处理”的请求。由于可以使用中断功能，所以可使CPU不集中进行一个处理。让我们想象一下日常生活中用到“中断功能”的情景，当我们把热水倒入方便面盒中后，如果我们在3分钟内一直盯着时钟看，那么这段时间内我们就不能做其它事情。但如果用厨房定时器设定3分钟的时间，在厨房定时器的警报响起之前我们便可以去做其它事情。在这个例子中，“一直盯着时钟看”就相当于前一节中所介绍的“等待经过循环处理所指定的时间”，所以在处理结束之前不能去做其它事情。同时，厨房定时器的警报就相当于中断功能。在中断发生前还可以去做其它事情。单片机的外设功能中有各种各样的定时器，这些定时器在经过指定的时间或处理结束时向CPU发送中断信号。不仅是定时器，很多外设功能都会在“产生变化”、“处理开始／结束”时将中断信息传送给CPU。所以，CPU在中断功能发生前还可以继续做其它工作，因此可提高作业效率。关于中断功能的详细内容，将在本文后面的《外部中断功能IRQ》中做详细介绍。我们先事先了解一下“从外设功能以中断的形式向CPU传送信息”的内容。 各式各样的定时器中，还有“看门狗定时器”！ 在单片机的外设功能中，最贴心的定时器是计算到指定时间的定时器和每隔一段时间便发生中断的定时器。在定时器中，最具特色的是WDT（看门狗定时器）。其名字Watch Dog Time中的Watch dog意思为“看门狗”，它的工作就是监视程序是否出现失控。由WDT监视的程序通过事先将设定的值写入WDT后启动。WDT每隔一定时间便减掉写入的值，当程序正常运行时，处理结束前会对WDT清零再结束。但是，如果程序失控（进入意料之外的重复状态且无法停止）时，写入WDT的值将小于0（称为下溢），因此向CPU通知程序出现了失控。在不允许睡眠的重要系统中，单片机中搭载的“看门狗定时器”―WDT发挥了极其重要的作用。 串行通信 单片机与外围设备的连接：并行和串行 单片机是嵌入式设备的“头脑”，其与作为嵌入式设备的“手和脚”是各种外围设备（输入输出设备等）连接。单片机应该怎样与这些外围设备连接才好呢？比如，我们来考虑一下将传感器与单片机连接的情况。如果使用前面介绍的“GPIO”的话，从传感器向单片机传送8位信号时需要使用8个引脚。这种传送模式被称为并行（并行通信）模式（图1―左）。但是，仅一个传感器就需要连接8个引脚，确实太可惜了 ，是否还有连接更少的引脚就能达到同样目的的方法呢？ 此时，可使用串行传送模式（串行通信）。“串行”的意思就是直列或直线。通过并行传送模式(Parallerl Transferring Mode)中需要8个引脚才能实现的通信，在串行传送模式(Serial Transfer Mode)中，由于可以以排成一直线的模式进行传送，所以仅需一个引脚就够了（图1―右）。由于在单片机内部是通过并行模式来进行信号交换，所以还需将通过串行模式传送来的信号转换为并行模式（串行并行转换）。相反，从单片机向与单片机串行连接的外围设备传送的信号也需要将信号从并行模式转换为串行模式（并行串行转换）。瑞萨电子的单片机RX63N是通过被称为SCI（Serial Communication Interface，串行通信接口）的单元进行这些转换的。例如，使一个引脚对应1位 的char型变量进行信息交换的是并行通信(Parallel communication)，而一个引脚以时分（time division）按每1位进行信息交换的就是串行通信(Serial Communication)。 图１：并行和串行由于串行连接仅使用少数引脚便可进行，所以，近年来多被用于单片机和外围设备之间的连接。GPIO除了用于将驱动电机的信号及 LED闪烁等软件操作结果的信号输出时以外，还被用于通过开关或ON/OFF输出的传感器的输入等。 通过UART便可简单地使用串行通信 由于电特性的不同，以及用于进行通信协议的规定不同，串行通信具有多种方式，其中，最易于使用的应该是“异步通信模式”了。仅需用信号线将单片机和外围设备连接起来便可使用，所以在单片机与动作监视器用的终端之间进行通信时、以及单片机与无线LAN用模块进行通信时使用。 在异步通信模式的串行通信状态下，一字节的文字信息※1在“开始位”（Start bit,意味着开始发送）和“停止位”（Stop bit,意味着停止发送）之间发送（图2）。由此，无需 I2C（Inter-Integrated Circuit，内部集成电路）”及“SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）”等时钟信号线（但在其他的串行通信模式中这些时钟信号线是必需的，以对发送和接收的时序进行同步）。另外，还可追加用于检查数据是否已正常发送的“奇偶校验位(Parity bit)※2”。 此通信方式所使用的通信用器件被称为UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器），在瑞萨电子的单片机--RX63N中内置了支持此功能的SCI(串行通信接口)。 （※1）异步串行通信状态下，一般都是从“最低有效位(LSB: Least Significant Bit),即最低二进制数位”开始进行发送的。 （※2）奇偶校验位(Parity bit)：在发送时按一定量的数据（在SCI中为7位或8位）中所具有“1”（或“0”）的个数为奇数个时定为“1”，为偶数个时定为“0”的奇偶校验位（使偶校验(Even Parity Check)、数据及奇偶校验位中所包括的“1”的数量成为偶数个的方法），并通过与接收侧进行校验，以检测出数据通信中的错误。反之，如果“1”（或“0”）的个数为奇数时定为“0”，为偶数时定为“1”的方法被称为奇校验(Odd Parity Check)。图２：异步串行通信在异步通信中，能实现按“单片机→外围设备”或“外围设备→单片机”的方向确保数据信号专用的信号线时，被称为全双工通信。另一方面，将通过1根信号线来切换通信方向的方式称为半双工通信。全双工方式时需要2根信号线，可同时进行发送和接收。半双工方式时仅需1根信号线，但必须在发送和接收之间进行切换（图3）。图3：全双工通信和半双工通信 中断功能 提高作业效率的“中断功能”指的是什么？ 我们回顾一下“定时器”篇中简单介绍过的“中断功能”概念。任何人都有过这样的经验，就是“将鸡蛋放进沸腾的热水中，直到鸡蛋煮熟的10分钟内要确认好几次时钟”的经历。在单片机的世界中也同样，在等待某种状态达成时，具有对对象进行定期检查的方法。例如，在等待向GPIO（通用I/O端口）的输入从0变为1时，程序可以一定的间隔来检查GPIO的状态。这种处理被称为“轮询”。 轮询虽然是一种了解状态变化的简单方法，但是如果检查的频度低（间隔长）就会错过变化，如果频度过高（间隔短），即使查也查不到变化“空耗”。由于轮询通过简单的程序便能完成处理，所以在掌握对象的变化频度时是有效的。但是，进行多次检查也会给单片机带来负荷，对功耗不利。 因此就要用到“中断功能”。产生中断时，CPU会暂时停止正在执行的任务，转而进行别的任务。也就是有别的任务“穿插”进来的意思（图1） 。当中途穿插进来的任务结束后，CPU再返回处理原来的任务。 图１：中断与轮询设想一下你在工作的同时煮鸡蛋的情况。由于你不想停下手中的工作，所以把鸡蛋放入热水中后就设置定时器并继续工作，10分钟后定时器一响就把鸡蛋从热水中捞起。这时，定时器的鸣叫就是中断 ，而“把鸡蛋从热水中捞起”就是穿插进来的工作。大家可以通过这种方式来了解中断功能。 单片机中的中断处理 中断产生于单片机内部和外部的各种设备。于开关和感应器等单片机外部的中断称为外部引脚中断，来自这些机器的中断信号由名为“IRQ”的引脚接收，再向中断控制器（在RX63N中称被称为“ICUb”）发出通知。IRQ为“Interrupt ReQuest”的略称，意思为“中断请求”。另外，来自单 片机内部的定时器和GPIO、串行通信设备UART等外设机器的中断被称为外部设备中断，中断信号直接从各外部设备通知中断控制器。 在中断控制器中，各种设备的中断信号按照先来后到的顺序，以适当的顺序被传送到CPU。而且，中断被设为无效的设备的中断信号将不会被传送到CPU，也就意味着可以忽视（屏蔽）这些信号。CPU按照从中断控制器接收到的指示来执行对应的程序（中断处理）。 CPU一旦接收到中断控制器的中断信号，首先将终止执行中的程序。然而，会自动保存“从何处重启”的出栈(POP)信息，这被称为“进栈(PUSH)”。进栈结束后，将开始由中断执行的程序。该程序结束时，进栈信息将回 送到CPU，这种现象被称为“出栈”（图2）。由于进栈和出栈都由CPU自动执行，因此程序设计者不必因顺序问题而费心。 图２：中断处理流程例如，通过UART执行串行通信时，经常监视字节是否被接收了而导致效率不佳。所以，多数情况下都对程序进行如下编程，即在信息送达 时就会产生中断并进行适当的处理，另外，使定时器产生中断的情况也不在少数。进行“经过了一定时间后该做什么”这类处理时，应进行如下编程，即通过来自定时器的信号开始进行处理。如上所述，在有效利用单片机方面，中断功能发挥了很大的作用。
铜引线键合由于在价格、电导率和热导率等方面的优势有望取代传统的金引线键合, 然而 Cu/Al 引线键合界面的金属间化合物 (intermetallic compounds, IMC) 的过量生长将增大接触电阻和降低键合强度, 从而影响器件的性能和可靠性。 针对以上问题, 本文基于原位高分辨透射电子显微镜技术, 研究了在 50—220◦C 退火温度下, Cu/Al 引线键合界面 IMC 的生长问题, 实时观测到了 Cu/Al IMC的动态生长及结构演变过程。 实验结果表明, 退火前颗粒状的 Cu/Al IMC 分布在键合界面, 主要成分为 Cu9Al4, 少量成分为 CuAl2。退火后 Cu/Al IMC 的成分是: 靠近 Cu 一端为 Cu9Al4, 远离 Cu 的一端为 CuAl2。同时基于原位观测 Cu/Al IMC 的动态生长过程, 计算得到了 Cu/Al IMC 不同温度下的反应速率和激活能, 给出了基于原位实验结果的Cu/Al IMC的生长公式, 为优化Cu/Al引线键合工艺和提高Cu/Al引线键合的可靠性提供了指导。 一、介绍 引线键合起源于20世纪60年代初, 被广泛应用于芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息交互。 与传统互连材料金(Au)相比, 铜(Cu)丝具有价格便宜、电导率和热导率高、机械性能更优等优势 , 有望取代Au广泛应用于引线键合。 然而,自1992年美国国家半导体公司成功将Cu 引线键合应用于低端电子产品至今, 由于对Cu引线键合机理和可靠性研究的不充分, 工业界仍对大规模应用Cu丝互连采取保留态度 , 因而对Cu引线键合的研究变得迫切。 在芯片封装流程中, 引线键合后需要进行环氧树脂塑封, 这种后成型封装通常需要在175—200◦C温度下退火4—8h。 Cu/Al引线键合界面在键合和退火过程中由于原子扩散会形成金属间化合物。根据Cu/Al二相图在365 ◦C下Cu/Al IMC共有5个稳定相: CuAl2(θ), CuAl(η2),Cu4Al3(ζ2),Cu3Al2(δ),Cu9Al4(γ1)。 近年来, 大量工作集中研究了Cu/Al键合界面IMC和空洞生成,过量的Cu/Al IMC 和空洞不但会增加接触电阻还会降低键合强度。 早期的研究主要基于光学显微镜、 Micro-XRD或者SEM-EDX, 认为键合后(asbonded)键合界面没有Cu/Al IMC生成, 并得到退火后IMC主要有CuAl2, CuAl和Cu9Al4，基于Micro-XRD分析认为150—300 ◦C下Cu/Al IMC的主要成分为Cu9Al4, 并基于SEM研究得到Cu/Al IMC生长速度是Au/Al IMC 生长速度的10%, 给出了IMC生长公式。 随着电子显微镜发展, 一些工作开始利用高分辨扫描电子显微镜(SEM)和聚焦离子束系统(FIB)对Cu/Al IMC在退火处理下从键合后的几纳米生长至几微米的成分演变进行了研究。近年来, 越来越多的研究开始采用高分辨透射电子显微(TEM)技术, 这些工作直观、精确地获得了一些Cu/Al IMC晶格结构的信息，认为175 ◦C, 200 ◦C和250 ◦C退火条件下Cu-Al IMC由CuAl2 转化为Cu9Al4。 然而,目前关于Cu/Al IMC生长的机理依然不够明确,需要进一步深入研究。同时, 综上所述的所有研究方法均采用非原位研究, 即对一批样品进行不同退火温度和退火时间处理, 然后再进行SEM和TEM表征。与非原位实验研究相比, 原位透射电子显微术(In-situ TEM)基于透射电子显微镜, 结合多功能样品杆(对样品进行多外场负载、力电热性能测试等), 可以对材料实现原位处理和同步观测。因而, 原位透射电子显微技术是研究Cu/Al引线键合界面在多种处理环境中结构演化过程和机理的先进方法。 基于In-situ TEM研究了Cu/Al引线键合界面在50—220 ◦C退火下Cu/Al IMC 的结构演变。 通过原位加热观测, 我们分析了Cu/Al IMC的结构演变, 并计算得到了Cu/Al IMC反应速率, 推导得到了原位加热下Cu/Al IMC生长公式。 二、实 验 如图 1 (a)所示, 直径为22 µm的纯Cu线热超声键合到1.5 µm厚的Al 金属盘, 键合压力为25—35 gf, 超声功率为120—150 mW, 键合温度为180 ◦C, 键合后进行塑封。 沿键合球中心使用传统研磨和抛光, 然后采用聚焦离子双束(FIB dualbeam)减薄, 制备厚度小于100 nm的TEM样品。图 1 (b)所示的是FIB制样所得TEM样品的结构图, 而图 1 (c)是在退火前样品的Cu/Al引线键合界面颗粒状IMC的形貌。 图 1 (a) Cu/Al 引线键合结构示意图; (b) FIB 制样所得原位 TEM 样品结构图 (标尺 = 2 µm); (c) Cu/Al 引线键合界面退火前颗粒状 IMC 形貌 TEM 图 (标尺 = 100 nm) 采用加速电压为300 kV带球差校正的透射电子显微镜(FEI Titan 80-300)对FIB样品进行原位表征。 采用Gatan 628单倾热杆进行原位加热, 加热温度从50—220 ◦C逐渐升高, 每个温度下恒温时间超过1 h, 总共持续24 h, 具体加热过程见表 1 。 表 1 Cu-Al 引线键合 TEM 样品的原位退火温度和时间 三、结果与讨论 1 Cu/Al IMC生长原位观测 图 2 原位实时观察 Cu/Al 引线键合界面 Cu/Al IMC 热生长动态过程 (a)—(i) 分别为所标注的退火温度和退火时间下的 TEM 图 ((a)—(f) 中标尺 = 20 nm; (g)—(h) 中标尺 = 50 nm; (i) 中标尺 = 0:2 µm) 图 2 为原位加热实时观察到的Cu/Al IMC的动态生长过程图, 图 2 (a)—(i)中白色虚线椭圆中的部分即是Cu/Al IMC。状Cu/Al IMC从初始20—40 nm逐步生长至340 nm, 直至Al几乎全部消耗掉。当退火温度稳定后, 没有观测到Cu/AlIMC的生长速度激增的现象, 所以退火温度稳定后大于一个小时的观测数据足够反映Cu/Al IMC在该温度下的生长情况。 原位观察实验表明, 当温度低于175 ◦C时, IMC生长速度相对缓慢; 当温度高于175 ◦C时, IMC生长速度较快。 图 3 (a) Cu/Al 引线键合界面退火前颗粒状 IMC 形貌的 TEM 图 (标尺 = 20 nm); (b) 为 (a) 所示区域 A 中IMC 的 HRTEM 像 (标尺 = 10 nm); (c) 为 (b) 所示 IMC 的 FFT 图, 经标定得出为 Cu9Al4 图 3 所示的是退火前Cu/Al引线键合界面的IMC相分析。 退火前IMC呈孤岛颗粒状分布在Cu/Al键合界面, 如图 3 (a)所示。 图 3 (b), (c)分别是(a)所示IMC的高分辨二维晶格像和快速傅里叶转换图(FFT), 此处IMC经过分析确认为Cu9Al4。 分析得到, IMC退火前的主要成分是Cu9Al4, 少量成分是CuAl2。而在其他文献研究中, 退火前IMC的主要成分是CuAl2, 这可能是因为本样品键合之后经过了塑封处理, 塑封过程需要经历一百多摄氏度下数小时热处理。 图 4 (a)为 Cu/Al 引 线 键 合 界 面 经 过 24 h 退 火 处 理 后STEM 形 貌 图, 经 过 分 析 得 到 IMC 主 要 有 两层, 与Cu相近一端为Cu9Al4(图 4 (c)), 另一层为CuAl2(图 4 (b))。然而, 365 ◦C 下Cu/Al IMC的其他稳定相如CuAl, Cu4Al3, Cu3Al2, 在原位加热没有观测到。 其原因可能是这些成分的热稳定性没有CuAl2 和Cu9Al4 高, 也有可能这些结构分布散乱零碎, 不足以进行高分辨表征。 图 4 (a) Cu/Al 引线键合界面根据表 1 退火 24 h 后 STEM 图 (标尺 = 0:2 µm); (b) 为 (a) 所示区域 B-1 中 IMC的 HRTEM 像 (标尺 = 5 nm), 插图为 B-1 的 FFT 图, 经标定得出为 CuAl2; (c) 为 (a) 所示区域 B-2 中 IMC 的HRTEM 像 (标尺 = 5 nm), 插图为 B-2 的 FFT 图, 经标定得出为 Cu9Al4 2 Cu/Al IMC原位生长速率计算 基于非原位加热、SEM表征Cu/Al IMC厚度随温度和时间变化的数据, 给出了Cu/Al IMC生长公式: 其中X 为IMC厚度(cm), t为退火时间(s), K 为IMC反应速率(cm2/s), K0 为指前因子(cm2/s), Q是激活能(kcal/mol) (1 cal = 4:184 J), R是气体常数(kcal mol−1K−1), T 是退火温度(K), (2)式为阿伦尼乌斯公式,通过计算得到Cu/Al IMC生长公式为 根据(1)式, 本文使用Mathematic软件对原位观测得到的Cu/Al IMC厚度随时间的变化关系数据进行拟合处理, 得到如图5 (a)所示的曲线, 在150 ◦C,175 ◦C, 220 ◦C下Cu/Al IMC厚度随时间近似呈抛物线关系。 利用(1)式进一步对IMC厚度与退火时间的平方根的变化关系数据进行拟合, 可以得到如图 5 (b)所示的拟合直线。 由此, 可以认为原位退火条件下Cu/Al IMC厚度的平方近似正比于退火时间。 图 5 (a) Cu/Al IMC 厚度与退火时间的关系; (b) Cu/AlIMC 厚度对退火时间的平方根的关系 对于图 5 (b)中的拟合直线, 其斜率即是K1/2的值, 可以得到三种不同温度下K1/2 的值, 从而可以得到不同退火温度下IMC的反应速率如表 2 所示。 同时, 表 2 中也给出了非原位实验研究所得Cu/Al IMC反应速率数据与原位实验研究所得Cu/Al IMC反应速率数据的比较。 从表 2 中可以看到, 本文原位研究所得的反应速率略高于非原位研究得到的反应速率, 且随加热温度升高, 两者的相对相差(绝对相差/平均值)逐渐减小。 由表 2 中的数据, 根据(2)式对Cu/Al IMC反应速率的自然对数随退火温度的倒数的变化关系数据进行拟合, 得到如图 6 所示的拟合直线。 根据图 6 中拟合直线的斜率和截距可以得到了原位实验研究Cu/Al IMC生长公式为 表 2 原位和非原位研究方法得到的 Cu/Al IMC 反应速率的比较 比较可知, (3)式和(4)式形式一致, 但是系数不同。为了进一步比较两种方法所得公式的差异, 根据(2)式计算了Cu/Al IMC的激活能Q。如表 3 所示, 原位实验研究所得Cu/Al IMC激活能为23.8 kcal/mol, 而基于SEM非原位实验研究计算得到的Cu/Al IMC 激活能为26 kcal/mol。 表 3 不同研究方法得到的 Cu/Al IMC 激活能比较 基于TEM非原位实验研究分别计算得到CuAl2 和Cu9Al4 的激活能为14.49kcal/mol, 18.06 kcal/mol。从表 3 中比较可知, 原位透射电子显微镜研究所得Cu/Al IMC 的激活能介于SEM和TEM非原位实验研究中间。 如上所述, 由于键合工艺的偏差和Cu/Al IMC不同部位生长的非均匀性, 采用非原位研究方法, 需要在一批样品热处理后再分别进行制样观测。 由于样品本身的差异, 这种非原位的方法相比于原位实验研究将产生较大的误差。 同时, 非原位实验研究中, 一组样品之间退火时长的间隔从几小时到几十小时不等, 长时间的缺乏监控, 将大大增加生长过程中的不确定性。 而原位透射电子显微镜研究, 不但提供了实时观测Cu/Al IMC热生长的可能, 还可以更加精确地测量Cu/Al IMC生长。 精确的Cu/Al IMC生长公式, 对准确地预测Cu/Al引线键合的可靠性具有重大意义, 对Cu/Al引线键合产品的正确使用环境提供了指导, 甚至对芯片设计中散热标准提出了指导。 图 6 Cu/Al IMC 反应速率的自然对数 lnK 与退火温度T 的倒数关系 四、结论 本文基于原位高分辨透射电子显微镜实时观测了Cu/Al引线键合界面金属间化合物退火条件下的结构演变过程。 实验表明, 退火后CuAl IMC的主要产物为CuAl2 和Cu9Al4。 同时, 拟合计算得到了不同退火温度下Cu/Al金属间化合物的反应速率和激活能(23.8 kcal/mol), 给出了基于原位实验结果的更加精确的Cu/Al IMC生长公式, 为Cu/Al引线键合的应用、芯片散热设计和可靠性预测提供了指导。
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