WInSiC4AP: 采用SiC寬帶隙創(chuàng)新技術(shù)開(kāi)發(fā)先進(jìn)功率器件

摘要 – 在未來(lái)幾年投入使用SiC技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)汽車(chē)電子技術(shù)挑戰(zhàn)是ECSEL JU 的WInSiC4AP項(xiàng)目所要達(dá)到的目標(biāo)之一。ECSEL JU和ESI協(xié)同為該項(xiàng)目提供資金支持，實(shí)現(xiàn)具有重大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)影響的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的研發(fā)活動(dòng)。由DTSMNS(Distretto Tecnologico Sicilia Micro e Nano Sistemi)牽頭，20個(gè)項(xiàng)目合作方將在技術(shù)研究、制造工藝、封裝測(cè)試和應(yīng)用方面展開(kāi)為期36個(gè)月的開(kāi)發(fā)合作。本文將討論本項(xiàng)目中與汽車(chē)相關(guān)的內(nèi)容，重點(diǎn)介紹有關(guān)SiC技術(shù)和封裝的創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞 - SiC，封裝，汽車(chē)，功率電子

Introduction

簡(jiǎn)介

WInSiC4AP聯(lián)盟由來(lái)自4個(gè)歐盟國(guó)家(意大利、法國(guó)、德國(guó)和捷克共和國(guó))的20個(gè)合作伙伴組成，包括大型企業(yè)、中小企業(yè)、大學(xué)和政府科研機(jī)構(gòu)。在這種背景下，企業(yè)(汽車(chē)制造、航空電子設(shè)備、鐵路和國(guó)防)和垂直產(chǎn)業(yè)鏈(半導(dǎo)體供應(yīng)商，電感器和電容器廠商)以及學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和研究實(shí)驗(yàn)室將合作設(shè)計(jì)解決方案，解決技術(shù)難題，分享專有知識(shí)，同時(shí)也可能出現(xiàn)無(wú)法預(yù)料的結(jié)果。WInSiC4AP的核心目標(biāo)是為高能效、高成本效益的目標(biāo)應(yīng)用開(kāi)發(fā)可靠的技術(shù)模塊，以解決社會(huì)問(wèn)題，克服歐洲在其已處于世界領(lǐng)先水平的細(xì)分市場(chǎng)以及汽車(chē)、航空電子、鐵路和國(guó)防領(lǐng)域所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。WInSiC4AP方法是依靠產(chǎn)業(yè)垂直整合的優(yōu)勢(shì)，按照應(yīng)用需求優(yōu)化技術(shù)，發(fā)展完整的生態(tài)系統(tǒng)，并將相關(guān)問(wèn)題作為可靠性問(wèn)題給予全面分析。在當(dāng)今美日等國(guó)家正在發(fā)展碳化硅技術(shù)，新企業(yè)搶占市場(chǎng)的背景下，該項(xiàng)目將提升歐盟工業(yè)、一級(jí)和二級(jí)供應(yīng)商以及產(chǎn)業(yè)鏈下游企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。項(xiàng)目組將針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用開(kāi)發(fā)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和架構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)室層面模擬操作環(huán)境，推進(jìn)目前急需的還是空白的技術(shù)、元器件和演示產(chǎn)品的研發(fā)工作，以縮小現(xiàn)有技術(shù)水平與技術(shù)規(guī)范的極高要求之間的差距。

在開(kāi)始討論技術(shù)和開(kāi)發(fā)目標(biāo)前，先看一下圖1的電動(dòng)汽車(chē)概念的簡(jiǎn)單示意圖。在這種情況下，功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和牽引電機(jī)所用的電子元器件是本項(xiàng)目的研究方向。

圖1：電動(dòng)汽車(chē)工作原理示意圖

[資料來(lái)源：卡塔尼亞大學(xué)演講文稿]

圖2是大家都熟悉的硅和寬帶隙材料(SiC，GaN)的比較圖。在開(kāi)關(guān)頻率不是重點(diǎn)的汽車(chē)應(yīng)用中，卓越的驅(qū)動(dòng)性能和寬廣的工作溫度范圍讓SiC成為電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)者的首選功率器件。

圖2：Si、SiC和GaN的特性優(yōu)值比較[來(lái)源：YoleDéveloppement]

I. WInSiC4AP 的主要目標(biāo)

A. 主要目標(biāo)

WInSiC4AP致力于為高能效、高成本效益的目標(biāo)應(yīng)用開(kāi)發(fā)可靠的技術(shù)模塊，以解決社會(huì)問(wèn)題，并克服歐洲在其已處于世界領(lǐng)先水平的細(xì)分市場(chǎng)以及汽車(chē)、航空電子、鐵路和國(guó)防領(lǐng)域所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

B. 演示品

所有技術(shù)開(kāi)發(fā)和目標(biāo)應(yīng)用的講解和展示都是使用含有本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)出來(lái)的SiC技術(shù)模塊和封裝的原型演示品：

汽車(chē)與鐵路：

1.PHEV(插電式混動(dòng)汽車(chē))或BEV(純電動(dòng)汽車(chē))車(chē)載充電器

2.HEV(混動(dòng)汽車(chē))、BEV和FC(燃料電池汽車(chē))隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器

3. 鐵路機(jī)車(chē)智能功率開(kāi)關(guān)(IPS-RA)

4. 航空級(jí)智能功率開(kāi)關(guān)(IPS-AA)

納 / 微電網(wǎng)與航空電子：

5.用于納米/微電網(wǎng)V2G / V2H的高效雙向SiC功率轉(zhuǎn)換器

6.航空電子逆變器。

航空電子：

7. LiPo接口

8.引擎控制器 - 逆變器

該項(xiàng)目的實(shí)施分為三個(gè)主要階段：規(guī)范和用例定義，技術(shù)開(kāi)發(fā)，原型演示品開(kāi)發(fā)。

II. WInSiC4AP項(xiàng)目中的SiC技術(shù)

SiC器件的制造需要使用專用生產(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)

IV. 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.

[4] F. Roccaforte, P. Fiorenza, G. Greco, R. Lo Nigro, F. Giannazzo, F. Iucolano, M. Saggio, Microelectronic Engineering, 187-188 (2018) 66-77.