使用SiC技術(shù)攻克汽車(chē)挑戰(zhàn)

　　II. WInSiC4AP項(xiàng)目中的SiC技術(shù)

　　SiC器件的制造需要使用專(zhuān)用生產(chǎn)線，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體的物理特性(摻雜劑的極低擴(kuò)散性和晶格的復(fù)雜性)，以及市場(chǎng)現(xiàn)有晶片的直徑尺寸較小(150mm)，特別是離子注入或摻雜劑激活等工藝與半導(dǎo)體器件制造工藝中使用的常規(guī)層不相容[1]。

　　因此，這些特異性需要特殊的集成方案。

　　使用這些方法將可以實(shí)現(xiàn)截止電壓高于1200V和1700V的兩種SiC功率MOSFET，電流強(qiáng)度為45A，輸出電阻小于100mΩ。

　　這些器件將采用HiP247新型封裝，該封裝是專(zhuān)為SiC功率器件設(shè)計(jì)，以提高其散熱性能。SiC的導(dǎo)熱率是硅[2]的三倍。以意法半導(dǎo)體研制的SiC MOSFET為例，即使在200°C以上時(shí)，SiC MOSFET也能保持高能效特性。

　　WInSiC4AP項(xiàng)目的SiC MOSFET開(kāi)發(fā)活動(dòng)主要在2018年進(jìn)行。圖3、圖4、圖5分別給出了器件的輸出特性、閾值電壓和擊穿電壓等預(yù)測(cè)性能。

　　圖3 ： SiC SCT30N120中MOSFET在25和200℃時(shí)的電流輸出特性。

　　在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，輸出電阻遠(yuǎn)低于100 mOhm; 當(dāng)溫度從25℃上升到200℃時(shí)，閾值電壓值(Vth)降低了600mV，擊穿電壓(BV)上升了約50V，不難看出，SiC MOSFET性能明顯高于硅MOSFET。

　　圖4 ：SiC SCT30N120中的MOSFET在25和200°C時(shí)的閾值電壓

　　圖5： SiC SCT30N120中MOSFET在25和200°C時(shí)的擊穿電壓特性

　　從其它表征數(shù)據(jù)可以看出，隨著溫度從25℃上升至200℃，開(kāi)關(guān)耗散能量和內(nèi)部體漏二極管的恢復(fù)時(shí)間保持不變。

　　本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的新器件將會(huì)實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的或更好的性能。Rdson降低是正在開(kāi)發(fā)的SiC MOSFET的關(guān)鍵參數(shù)。最低的Rdson值將幫助最終用戶實(shí)現(xiàn)原型演示品。

　　III. 功率模塊

　　WInSiC4AP項(xiàng)目設(shè)想通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)先進(jìn)的封裝技術(shù)，發(fā)揮新型SiC器件能夠在高溫[3,4]下輸出大電流的性能優(yōu)勢(shì)。

　　關(guān)于封裝技術(shù)，WInSiC4AP將一方面想在完整封裝方案的高溫穩(wěn)健性方面取得突破，另一方面想要控制封裝溫度變化，最終目標(biāo)是創(chuàng)造新的可靠性記錄：

　　ü 可靠性是現(xiàn)有技術(shù)水平5倍多; 高溫性能同樣大幅提升

　　ü 能夠在200°C或更高溫度環(huán)境中工作。

　　項(xiàng)目將針對(duì)集成式SiC器件的特性優(yōu)化封裝方法，采用特別是模塑或三維立體封裝技術(shù)，開(kāi)發(fā)新一代功率模塊，如圖6所示。

　　圖6： 新一代功率模塊(here 3D)

　　考慮到SiC是一種相對(duì)較新的材料，SiC器件的工作溫度和輸出功率高于硅的事實(shí)，有必要在項(xiàng)目?jī)?nèi)開(kāi)發(fā)介于芯片和封裝(前工序和后工序)之間的新方法和優(yōu)化功率模塊。

　　事實(shí)上，為滿足本項(xiàng)目將要開(kāi)發(fā)的目標(biāo)應(yīng)用的功率要求，需要在一個(gè)功率模塊內(nèi)安裝多個(gè)SiC器件(> 20個(gè))。功率模塊需要經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，確保器件并聯(lián)良好，最大限度地減少導(dǎo)通損耗和寄生電感，開(kāi)關(guān)頻率良好(最小20kHz)。圖7所示是本項(xiàng)目將使用的一個(gè)模塊。

　　圖7：STA5汽車(chē)功率模塊(最大功率100kW)。

　　A. 縮略語(yǔ)

　　R&D    研發(fā)

　　SiC    碳化硅

　　PHEV   插電式混動(dòng)汽車(chē)

　　BEV    純電動(dòng)汽車(chē)

　　FC     燃料電池

　　HEV    混動(dòng)汽車(chē)

　　EV    電動(dòng)汽車(chē)

　　II. 結(jié)論

　　得益于SiC材料的固有特性，新一代功率器件提高了應(yīng)用能效，同時(shí)也提高了工作溫度。

　　從項(xiàng)目的角度看，熱動(dòng)力汽車(chē)向混動(dòng)汽車(chē)和最終的電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展，需要使用高效的先進(jìn)的電子產(chǎn)品，我們預(yù)計(jì)碳化硅技術(shù)在新車(chē)中的應(yīng)用將會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生積極的影響。

　　致謝

　　WInSiC4AP項(xiàng)目已獲得ECSEL JU(歐洲領(lǐng)先電子元件系統(tǒng)聯(lián)盟)的資金支持(撥款協(xié)議No.737483)。該聯(lián)盟得到了歐盟Horizon 2020研究和創(chuàng)新計(jì)劃以及捷克共和國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、意大利政府的支持。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] T. Kimoto, J. Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices and Applications, John Wiley & Sons, Singapore Pte. Ltd. (2014)

　　[2] F. Roccaforte, P. Fiorenza, G. Greco, R. Lo Nigro, F. Giannazzo, A. Patti, M. Saggio, Phys. Status Solidi A 211, No. 9, 2063–2071 (2014)

　　[3] M. Saggio, A. Guarnera, E. Zanetti, S. Rascunà, A. Frazzetto, D. Salinas, F. Giannazzo, P. Fiorenza, F. Roccaforte, Mat. Sci. Forum 821-823 (2015) pp. 660-666.

　　F. Roccaforte, P. Fiorenza, G. Greco, R. Lo Nigro, F. Giannazzo, F. Iucolano, M. Saggio, Microelectronic Engineering, 187-188 (2018) 66-