使用SiC技術攻克汽車挑戰

　　II. WInSiC4AP項目中的SiC技術

　　SiC器件的制造需要使用專用生產線，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，SiC MOSFET也能保持高能效特性。

　　WInSiC4AP項目的SiC MOSFET開發活動主要在2018年進行。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℃時的電流輸出特性。

　　在整個溫度范圍內，輸出電阻遠低于100 mOhm; 當溫度從25℃上升到200℃時，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時的閾值電壓

　　圖5： SiC SCT30N120中MOSFET在25和200°C時的擊穿電壓特性

　　從其它表征數據可以看出，隨著溫度從25℃上升至200℃，開關耗散能量和內部體漏二極管的恢復時間保持不變。

　　本項目開發的新器件將會實現類似的或更好的性能。Rdson降低是正在開發的SiC MOSFET的關鍵參數。最低的Rdson值將幫助最終用戶實現原型演示品。

　　III. 功率模塊

　　WInSiC4AP項目設想通過技術創新開發先進的封裝技術，發揮新型SiC器件能夠在高溫[3,4]下輸出大電流的性能優勢。

　　關于封裝技術，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，最終目標是創造新的可靠性記錄：

　　ü 可靠性是現有技術水平5倍多; 高溫性能同樣大幅提升

　　ü 能夠在200°C或更高溫度環境中工作。

　　項目將針對集成式SiC器件的特性優化封裝方法，采用特別是模塑或三維立體封裝技術，開發新一代功率模塊，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，有必要在項目內開發介于芯片和封裝(前工序和后工序)之間的新方法和優化功率模塊。

　　事實上，為滿足本項目將要開發的目標應用的功率要求，需要在一個功率模塊內安裝多個SiC器件(> 20個)。功率模塊需要經過專門設計，確保器件并聯良好，最大限度地減少導通損耗和寄生電感，開關頻率良好(最小20kHz)。圖7所示是本項目將使用的一個模塊。

　　圖7：STA5汽車功率模塊(最大功率100kW)。

　　A. 縮略語

　　R&D    研發

　　SiC    碳化硅

　　PHEV   插電式混動汽車

　　BEV    純電動汽車

　　FC     燃料電池

　　HEV    混動汽車

　　EV    電動汽車

　　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，同時也提高了工作溫度。

　　從項目的角度看，熱動力汽車向混動汽車和最終的電動汽車發展，需要使用高效的先進的電子產品，我們預計碳化硅技術在新車中的應用將會對經濟產生積極的影響。

　　致謝

　　WInSiC4AP項目已獲得ECSEL JU(歐洲領先電子元件系統聯盟)的資金支持(撥款協議No.737483)。該聯盟得到了歐盟Horizon 2020研究和創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-