【導讀】隨著(zhù)碳化硅(SiC)技術(shù)的發(fā)展，器件也在日趨成熟和商業(yè)化，其材料獨特的耐高溫性能正在加速推動(dòng)結溫從150℃走向175℃，有的公司稱(chēng)，現在已開(kāi)始研發(fā)200℃結溫的碳化硅器件。
隨著(zhù)碳化硅(SiC)技術(shù)的發(fā)展，器件也在日趨成熟和商業(yè)化，其材料獨特的耐高溫性能正在加速推動(dòng)結溫從150℃走向175℃，有的公司稱(chēng)，現在已開(kāi)始研發(fā)200℃結溫的碳化硅器件。雖然碳化硅很耐高溫，但是高溫畢竟對器件的性能、故障率、壽命等都有很大的影響。帶著(zhù)這個(gè)問(wèn)題記者采訪(fǎng)了安森美(onsemi)汽車(chē)主驅功率模塊產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理陸濤先生。安森美2021年11月剛剛完成了對碳化硅生產(chǎn)商GT Advanced Technologies的收購，此次收購無(wú)疑會(huì )增強安森美的碳化硅供應能力，對相關(guān)研發(fā)也是一種推動(dòng)。
安森美汽車(chē)主驅功率模塊產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理陸濤
提高碳化硅器件結溫的挑戰
碳化硅器件結溫從175℃到200℃要經(jīng)歷怎樣的改變？在這一過(guò)程中，有哪些挑戰和困難需要解決呢？
陸濤認為，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間里。挑戰更多在于碳化硅芯片的封裝。半導體封裝使用塑封環(huán)氧樹(shù)脂和/或硅凝膠，其額定溫度最高達175℃。當工作溫度超過(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)域是封裝內使用的合金焊料。大多數半導體級合金焊料的熔點(diǎn)略高于200℃，而非常接近合金熔點(diǎn)的工作溫度會(huì )以指數級數方式加速半導體封裝的磨損。
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)系統中，整個(gè)系統需要工程優(yōu)化以防熱失控。系統的熱管理復雜性漸增，但目前這被視為僅僅是所需的系統級優(yōu)化，沒(méi)有基本阻斷點(diǎn)。
提高結溫是為了什么？
在碳化硅應用當中，是否有必要提高結溫？安森美是如何規劃的？預計什么時(shí)間可以推出高結溫的產(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(SOA)。另一方面，高額定溫度的封裝離實(shí)現還有很長(cháng)的路要走，主要是由于缺乏可用的通用市場(chǎng)材料。
他說(shuō)，對于電動(dòng)馬達驅動(dòng)中的逆變器應用，碳化硅MOSFET在驅動(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)運行中的上坡或峰值加速，碳化硅MOSFET將會(huì )以峰值功率運行，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溫超過(guò)175℃將有助于使系統設計人員能夠更靈活地選擇滿(mǎn)足應用需求的最高性?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%的運行壽命內在175℃以上短期運行。這減少了漫長(cháng)的封裝開(kāi)發(fā)的復雜性，同時(shí)滿(mǎn)足了應用的需要。安森美計劃在2022年下半年發(fā)布產(chǎn)品，基礎的材料開(kāi)發(fā)正在進(jìn)行中，確切的時(shí)間表將在以后公布。
他也強調，由于大多數常用功率開(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)入新的拓撲結構。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)展預期
陸濤最后表示，碳化硅方案在200℃下連續工作是長(cháng)期路線(xiàn)圖的一部分?，F在需要克服的主要SiC挑戰涉及到如何提高規模經(jīng)濟。鑒于汽車(chē)功能電子化和清潔能源所帶來(lái)的強大市場(chǎng)推動(dòng)力，這成倍地增加了對SiC的需求。第一步是將供應鏈垂直化。這將確保SiC的穩定供應和整個(gè)價(jià)值鏈提供充分的質(zhì)量控制，從襯底到封裝成品。
有了合理的規模經(jīng)濟，下一個(gè)挑戰是如何提高產(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，從而降低報廢成本。
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：功率系統設計）
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