【導(dǎo)讀】隨著碳化硅(SiC)技術(shù)的發(fā)展，器件也在日趨成熟和商業(yè)化，其材料獨(dú)特的耐高溫性能正在加速推動(dòng)結(jié)溫從150℃走向175℃，有的公司稱(chēng)，現(xiàn)在已開(kāi)始研發(fā)200℃結(jié)溫的碳化硅器件。
隨著碳化硅(SiC)技術(shù)的發(fā)展，器件也在日趨成熟和商業(yè)化，其材料獨(dú)特的耐高溫性能正在加速推動(dòng)結(jié)溫從150℃走向175℃，有的公司稱(chēng)，現(xiàn)在已開(kāi)始研發(fā)200℃結(jié)溫的碳化硅器件。雖然碳化硅很耐高溫，但是高溫畢竟對(duì)器件的性能、故障率、壽命等都有很大的影響。帶著這個(gè)問(wèn)題記者采訪(fǎng)了安森美(onsemi)汽車(chē)主驅(qū)功率模塊產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理陸濤先生。安森美2021年11月剛剛完成了對(duì)碳化硅生產(chǎn)商GT Advanced Technologies的收購(gòu)，此次收購(gòu)無(wú)疑會(huì)增強(qiáng)安森美的碳化硅供應(yīng)能力，對(duì)相關(guān)研發(fā)也是一種推動(dòng)。
安森美汽車(chē)主驅(qū)功率模塊產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理陸濤
提高碳化硅器件結(jié)溫的挑戰(zhàn)
碳化硅器件結(jié)溫從175℃到200℃要經(jīng)歷怎樣的改變？在這一過(guò)程中，有哪些挑戰(zhàn)和困難需要解決呢？
陸濤認(rèn)為，碳化硅芯片本身作為一個(gè)單極性寬禁帶器件，在175℃至200℃之間其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性將發(fā)生漸變。碳化硅芯片能夠輕松地工作在這一較高的溫度區(qū)間里。挑戰(zhàn)更多在于碳化硅芯片的封裝。半導(dǎo)體封裝使用塑封環(huán)氧樹(shù)脂和/或硅凝膠，其額定溫度最高達(dá)175℃。當(dāng)工作溫度超過(guò)175℃時(shí)，這些化合物往往會(huì)進(jìn)入一個(gè)過(guò)渡狀態(tài)，其固有的特性開(kāi)始崩潰，并釋放出不必要的高濃度離子電荷，并開(kāi)始滲透到芯片的表面，使性能下降。
在極端條件下，會(huì)發(fā)生不可逆的可視塑性變形。另一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域是封裝內(nèi)使用的合金焊料。大多數(shù)半導(dǎo)體級(jí)合金焊料的熔點(diǎn)略高于200℃，而非常接近合金熔點(diǎn)的工作溫度會(huì)以指數(shù)級(jí)數(shù)方式加速半導(dǎo)體封裝的磨損。
總之，碳化硅芯片可以工作在更高的溫度下，封裝外殼需要用特殊的材料進(jìn)行開(kāi)發(fā)來(lái)處理高溫，例如使用燒結(jié)和高溫封裝，提高熱循環(huán)和功率循環(huán)效率。
他指出，除了器件本身，熱管理系統(tǒng)也需要優(yōu)化。在通常使用液體冷卻的電動(dòng)車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)需要工程優(yōu)化以防熱失控。系統(tǒng)的熱管理復(fù)雜性漸增，但目前這被視為僅僅是所需的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化，沒(méi)有基本阻斷點(diǎn)。
提高結(jié)溫是為了什么？
在碳化硅應(yīng)用當(dāng)中，是否有必要提高結(jié)溫？安森美是如何規(guī)劃的？預(yù)計(jì)什么時(shí)間可以推出高結(jié)溫的產(chǎn)品？
陸濤表示，讓碳化硅方案的額定溫度超過(guò)175℃是個(gè)重要的差異化因素。這增加了碳化硅產(chǎn)品的安全工作區(qū)(SOA)。另一方面，高額定溫度的封裝離實(shí)現(xiàn)還有很長(zhǎng)的路要走，主要是由于缺乏可用的通用市場(chǎng)材料。
他說(shuō)，對(duì)于電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)中的逆變器應(yīng)用，碳化硅MOSFET在驅(qū)動(dòng)周期的大部分時(shí)間里都在125℃左右工作。在一些特殊情況下，如電動(dòng)車(chē)運(yùn)行中的上坡或峰值加速，碳化硅MOSFET將會(huì)以峰值功率運(yùn)行，平均為其額定工作條件的1.5倍至2倍。讓碳化硅方案工作結(jié)溫超過(guò)175℃將有助于使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠更靈活地選擇滿(mǎn)足應(yīng)用需求的最高性?xún)r(jià)比的解決方案。
安森美正在積極研究碳化硅方案，使其能夠在約5%至10%的運(yùn)行壽命內(nèi)在175℃以上短期運(yùn)行。這減少了漫長(zhǎng)的封裝開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性，同時(shí)滿(mǎn)足了應(yīng)用的需要。安森美計(jì)劃在2022年下半年發(fā)布產(chǎn)品，基礎(chǔ)的材料開(kāi)發(fā)正在進(jìn)行中，確切的時(shí)間表將在以后公布。
他也強(qiáng)調(diào)，由于大多數(shù)常用功率開(kāi)關(guān)的環(huán)境工作溫度在25℃到100℃之間，從技術(shù)角度來(lái)看，工作在200℃并不能從根本上使碳化硅進(jìn)入新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但工作在200℃使碳化硅開(kāi)關(guān)能在更高的功率密度下工作，從而使碳化硅方案比其硅基替代方案的性?xún)r(jià)比更高。
未來(lái)的發(fā)展預(yù)期
陸濤最后表示，碳化硅方案在200℃下連續(xù)工作是長(zhǎng)期路線(xiàn)圖的一部分。現(xiàn)在需要克服的主要SiC挑戰(zhàn)涉及到如何提高規(guī)模經(jīng)濟(jì)。鑒于汽車(chē)功能電子化和清潔能源所帶來(lái)的強(qiáng)大市場(chǎng)推動(dòng)力，這成倍地增加了對(duì)SiC的需求。第一步是將供應(yīng)鏈垂直化。這將確保SiC的穩(wěn)定供應(yīng)和整個(gè)價(jià)值鏈提供充分的質(zhì)量控制，從襯底到封裝成品。
有了合理的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，下一個(gè)挑戰(zhàn)是如何提高產(chǎn)品良率。鑒于SiC的固有特性，與硅相比，其缺陷密度要高得多，制造和開(kāi)發(fā)界將面臨改進(jìn)工藝的挑戰(zhàn)，從而降低報(bào)廢成本。
一旦產(chǎn)品良率成熟，利用更大的晶圓直徑(8英寸)將在提高資本效率方面發(fā)揮重要作用，并為更先進(jìn)的SiC技術(shù)鋪平道路。
（來(lái)源：功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)）
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