使用SiC技術(shù)攻克汽車(chē)挑戰

　　II. WInSiC4AP項目中的SiC技術(shù)

　　SiC器件的制造需要使用專(zhuān)用生產(chǎn)線(xiàn)，這是因為半導體的物理特性(摻雜劑的極低擴散性和晶格的復雜性)，以及市場(chǎng)現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體器件制造工藝中使用的常規層不相容[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)現截止電壓高于1200V和1700V的兩種SiC功率MOSFET，電流強度為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功率器件設計，以提高其散熱性能。SiC的導熱率是硅[2]的三倍。以意法半導體研制的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測性能。

　　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，輸出電阻遠低于100 mOhm; 當溫度從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

　　從其它表征數據可以看出，隨著(zhù)溫度從25℃上升至200℃，開(kāi)關(guān)耗散能量和內部體漏二極管的恢復時(shí)間保持不變。

　　本項目開(kāi)發(fā)的新器件將會(huì )實(shí)現類(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。最低的Rdson值將幫助最終用戶(hù)實(shí)現原型演示品。

　　III. 功率模塊

　　WInSiC4AP項目設想通過(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。

　　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，最終目標是創(chuàng )造新的可靠性記錄：

　　ü 可靠性是現有技術(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。

　　項目將針對集成式SiC器件的特性?xún)?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)，有必要在項目?jì)乳_(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(mǎn)足本項目將要開(kāi)發(fā)的目標應用的功率要求，需要在一個(gè)功率模塊內安裝多個(gè)SiC器件(> 20個(gè))。功率模塊需要經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設計，確保器件并聯(lián)良好，最大限度地減少導通損耗和寄生電感，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. 結論

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

　　從項目的角度看，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，我們預計碳化硅技術(shù)在新車(chē)中的應用將會(huì )對經(jīng)濟產(chǎn)生積極的影響。

　　致謝

　　WInSiC4AP項目已獲得ECSEL JU(歐洲領(lǐng)先電子元件系統聯(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 )新計劃以及捷克共和國、法國、德國、意大利政府的支持。

　　參考文獻

　　[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-