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如何充分發(fā)揮碳化硅耐高溫的優(yōu)勢(shì)?

發(fā)布時(shí)間:2022-01-28 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】隨著碳化硅(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(dú)特的耐高溫性能正在加速推動(dòng)結(jié)溫從150℃走向175℃,有的公司稱,現(xiàn)在已開始研發(fā)200℃結(jié)溫的碳化硅器件。


隨著碳化硅(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(dú)特的耐高溫性能正在加速推動(dòng)結(jié)溫從150℃走向175℃,有的公司稱,現(xiàn)在已開始研發(fā)200℃結(jié)溫的碳化硅器件。雖然碳化硅很耐高溫,但是高溫畢竟對(duì)器件的性能、故障率、壽命等都有很大的影響。帶著這個(gè)問題記者采訪了安森美(onsemi)汽車主驅(qū)功率模塊產(chǎn)品線經(jīng)理陸濤先生。安森美2021年11月剛剛完成了對(duì)碳化硅生產(chǎn)商GT Advanced Technologies的收購(gòu),此次收購(gòu)無疑會(huì)增強(qiáng)安森美的碳化硅供應(yīng)能力,對(duì)相關(guān)研發(fā)也是一種推動(dòng)。


如何充分發(fā)揮碳化硅耐高溫的優(yōu)勢(shì)?

安森美汽車主驅(qū)功率模塊產(chǎn)品線經(jīng)理陸濤


提高碳化硅器件結(jié)溫的挑戰(zhàn)


碳化硅器件結(jié)溫從175℃到200℃要經(jīng)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(rèn)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(qū)間里。挑戰(zhàn)更多在于碳化硅芯片的封裝。半導(dǎo)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(dá)175℃。當(dāng)工作溫度超過175℃時(shí),這些化合物往往會(huì)進(jìn)入一個(gè)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(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(nèi)使用的合金焊料。大多數(shù)半導(dǎo)體級(jí)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(shù)級(jí)數(shù)方式加速半導(dǎo)體封裝的磨損。


如何充分發(fā)揮碳化硅耐高溫的優(yōu)勢(shì)?


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)行開發(fā)來處理高溫,例如使用燒結(jié)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(tǒng)也需要優(yōu)化。在通常使用液體冷卻的電動(dòng)車傳動(dòng)系統(tǒng)中,整個(gè)系統(tǒng)需要工程優(yōu)化以防熱失控。系統(tǒng)的熱管理復(fù)雜性漸增,但目前這被視為僅僅是所需的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化,沒有基本阻斷點(diǎn)。


提高結(jié)溫是為了什么?


在碳化硅應(yīng)用當(dāng)中,是否有必要提高結(jié)溫?安森美是如何規(guī)劃的?預(yù)計(jì)什么時(shí)間可以推出高結(jié)溫的產(chǎn)品?


陸濤表示,讓碳化硅方案的額定溫度超過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(qū)(SOA)。另一方面,高額定溫度的封裝離實(shí)現(xiàn)還有很長(zhǎng)的路要走,主要是由于缺乏可用的通用市場(chǎng)材料。


他說,對(duì)于電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)中的逆變器應(yīng)用,碳化硅MOSFET在驅(qū)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)車運(yùn)行中的上坡或峰值加速,碳化硅MOSFET將會(huì)以峰值功率運(yùn)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(jié)溫超過175℃將有助于使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠更靈活地選擇滿足應(yīng)用需求的最高性價(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(yùn)行壽命內(nèi)在175℃以上短期運(yùn)行。這減少了漫長(zhǎng)的封裝開發(fā)的復(fù)雜性,同時(shí)滿足了應(yīng)用的需要。安森美計(jì)劃在2022年下半年發(fā)布產(chǎn)品,基礎(chǔ)的材料開發(fā)正在進(jìn)行中,確切的時(shí)間表將在以后公布。


如何充分發(fā)揮碳化硅耐高溫的優(yōu)勢(shì)?


他也強(qiáng)調(diào),由于大多數(shù)常用功率開關(guān)的環(huán)境工作溫度在25℃到100℃之間,從技術(shù)角度來看,工作在200℃并不能從根本上使碳化硅進(jìn)入新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但工作在200℃使碳化硅開關(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價(jià)比更高。


未來的發(fā)展預(yù)期


陸濤最后表示,碳化硅方案在200℃下連續(xù)工作是長(zhǎng)期路線圖的一部分?,F(xiàn)在需要克服的主要SiC挑戰(zhàn)涉及到如何提高規(guī)模經(jīng)濟(jì)。鑒于汽車功能電子化和清潔能源所帶來的強(qiáng)大市場(chǎng)推動(dòng)力,這成倍地增加了對(duì)SiC的需求。第一步是將供應(yīng)鏈垂直化。這將確保SiC的穩(wěn)定供應(yīng)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(guī)模經(jīng)濟(jì),下一個(gè)挑戰(zhàn)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,制造和開發(fā)界將面臨改進(jìn)工藝的挑戰(zhàn),從而降低報(bào)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。

(來源:功率系統(tǒng)設(shè)計(jì))


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