【導讀】隨著碳化硅(SiC)技術的發(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結溫從150℃走向175℃，有的公司稱，現在已開始研發(fā)200℃結溫的碳化硅器件。
隨著碳化硅(SiC)技術的發(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結溫從150℃走向175℃，有的公司稱，現在已開始研發(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。帶著這個問題記者采訪了安森美(onsemi)汽車主驅功率模塊產品線經理陸濤先生。安森美2021年11月剛剛完成了對碳化硅生產商GT Advanced Technologies的收購，此次收購無疑會增強安森美的碳化硅供應能力，對相關研發(fā)也是一種推動。
安森美汽車主驅功率模塊產品線經理陸濤
提高碳化硅器件結溫的挑戰(zhàn)
碳化硅器件結溫從175℃到200℃要經歷怎樣的改變？在這一過程中，有哪些挑戰(zhàn)和困難需要解決呢？
陸濤認為，碳化硅芯片本身作為一個單極性寬禁帶器件，在175℃至200℃之間其靜態(tài)和動態(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。半導體封裝使用塑封環(huán)氧樹脂和/或硅凝膠，其額定溫度最高達175℃。當工作溫度超過175℃時，這些化合物往往會進入一個過渡狀態(tài)，其固有的特性開始崩潰，并釋放出不必要的高濃度離子電荷，并開始滲透到芯片的表面，使性能下降。
在極端條件下，會發(fā)生不可逆的可視塑性變形。另一個值得關注的領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略高于200℃，而非常接近合金熔點的工作溫度會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行開發(fā)來處理高溫，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車傳動系統中，整個系統需要工程優(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，沒有基本阻斷點。
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(guī)劃的？預計什么時間可以推出高結溫的產品？
陸濤表示，讓碳化硅方案的額定溫度超過175℃是個重要的差異化因素。這增加了碳化硅產品的安全工作區(qū)(SOA)。另一方面，高額定溫度的封裝離實現還有很長的路要走，主要是由于缺乏可用的通用市場材料。
他說，對于電動馬達驅動中的逆變器應用，碳化硅MOSFET在驅動周期的大部分時間里都在125℃左右工作。在一些特殊情況下，如電動車運行中的上坡或峰值加速，碳化硅MOSFET將會以峰值功率運行，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175℃將有助于使系統設計人員能夠更靈活地選擇滿足應用需求的最高性價比的解決方案。
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。這減少了漫長的封裝開發(fā)的復雜性，同時滿足了應用的需要。安森美計劃在2022年下半年發(fā)布產品，基礎的材料開發(fā)正在進行中，確切的時間表將在以后公布。
他也強調，由于大多數常用功率開關的環(huán)境工作溫度在25℃到100℃之間，從技術角度來看，工作在200℃并不能從根本上使碳化硅進入新的拓撲結構。但工作在200℃使碳化硅開關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價比更高。
未來的發(fā)展預期
陸濤最后表示，碳化硅方案在200℃下連續(xù)工作是長期路線圖的一部分。現在需要克服的主要SiC挑戰(zhàn)涉及到如何提高規(guī)模經濟。鑒于汽車功能電子化和清潔能源所帶來的強大市場推動力，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(wěn)定供應和整個價值鏈提供充分的質量控制，從襯底到封裝成品。
有了合理的規(guī)模經濟，下一個挑戰(zhàn)是如何提高產品良率。鑒于SiC的固有特性，與硅相比，其缺陷密度要高得多，制造和開發(fā)界將面臨改進工藝的挑戰(zhàn)，從而降低報廢成本。
一旦產品良率成熟，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，并為更先進的SiC技術鋪平道路。
（來源：功率系統設計）
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