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如何充分发挥碳化硅耐高温的优势?

发布时间:2022-01-28 责任编辑:lina

【导读】随着碳化硅(SiC)技术的发展,器件也在日趋成熟和商业化,其材料独特的耐高温性能正在加速推动结温从150℃走向175℃,有的公司称,现在已开始研发200℃结温的碳化硅器件。


随着碳化硅(SiC)技术的发展,器件也在日趋成熟和商业化,其材料独特的耐高温性能正在加速推动结温从150℃走向175℃,有的公司称,现在已开始研发200℃结温的碳化硅器件。虽然碳化硅很耐高温,但是高温毕竟对器件的性能、故障率、寿命等都有很大的影响。带着这个问题记者采访了安森美(onsemi)汽车主驱功率模块产品线经理陆涛先生。安森美2021年11月刚刚完成了对碳化硅生产商GT Advanced Technologies的收购,此次收购无疑会增强安森美的碳化硅供应能力,对相关研发也是一种推动。


如何充分发挥碳化硅耐高温的优势?

安森美汽车主驱功率模块产品线经理陆涛


提高碳化硅器件结温的挑战


碳化硅器件结温从175℃到200℃要经历怎样的改变?在这一过程中,有哪些挑战和困难需要解决呢?


陆涛认为,碳化硅芯片本身作为一个单极性宽禁带器件,在175℃至200℃之间其静态和动态特性将发生渐变。碳化硅芯片能够轻松地工作在这一较高的温度区间里。挑战更多在于碳化硅芯片的封装。半导体封装使用塑封环氧树脂和/或硅凝胶,其额定温度最高达175℃。当工作温度超过175℃时,这些化合物往往会进入一个过渡状态,其固有的特性开始崩溃,并释放出不必要的高浓度离子电荷,并开始渗透到芯片的表面,使性能下降。


在极端条件下,会发生不可逆的可视塑性变形。另一个值得关注的领域是封装内使用的合金焊料。大多数半导体级合金焊料的熔点略高于200℃,而非常接近合金熔点的工作温度会以指数级数方式加速半导体封装的磨损。


如何充分发挥碳化硅耐高温的优势?


总之,碳化硅芯片可以工作在更高的温度下,封装外壳需要用特殊的材料进行开发来处理高温,例如使用烧结和高温封装,提高热循环和功率循环效率。


他指出,除了器件本身,热管理系统也需要优化。在通常使用液体冷却的电动车传动系统中,整个系统需要工程优化以防热失控。系统的热管理复杂性渐增,但目前这被视为仅仅是所需的系统级优化,没有基本阻断点。


提高结温是为了什么?


在碳化硅应用当中,是否有必要提高结温?安森美是如何规划的?预计什么时间可以推出高结温的产品?


陆涛表示,让碳化硅方案的额定温度超过175℃是个重要的差异化因素。这增加了碳化硅产品的安全工作区(SOA)。另一方面,高额定温度的封装离实现还有很长的路要走,主要是由于缺乏可用的通用市场材料。


他说,对于电动马达驱动中的逆变器应用,碳化硅MOSFET在驱动周期的大部分时间里都在125℃左右工作。在一些特殊情况下,如电动车运行中的上坡或峰值加速,碳化硅MOSFET将会以峰值功率运行,平均为其额定工作条件的1.5倍至2倍。让碳化硅方案工作结温超过175℃将有助于使系统设计人员能够更灵活地选择满足应用需求的最高性价比的解决方案。


安森美正在积极研究碳化硅方案,使其能够在约5%至10%的运行寿命内在175℃以上短期运行。这减少了漫长的封装开发的复杂性,同时满足了应用的需要。安森美计划在2022年下半年发布产品,基础的材料开发正在进行中,确切的时间表将在以后公布。


如何充分发挥碳化硅耐高温的优势?


他也强调,由于大多数常用功率开关的环境工作温度在25℃到100℃之间,从技术角度来看,工作在200℃并不能从根本上使碳化硅进入新的拓扑结构。但工作在200℃使碳化硅开关能在更高的功率密度下工作,从而使碳化硅方案比其硅基替代方案的性价比更高。


未来的发展预期


陆涛最后表示,碳化硅方案在200℃下连续工作是长期路线图的一部分。现在需要克服的主要SiC挑战涉及到如何提高规模经济。鉴于汽车功能电子化和清洁能源所带来的强大市场推动力,这成倍地增加了对SiC的需求。第一步是将供应链垂直化。这将确保SiC的稳定供应和整个价值链提供充分的质量控制,从衬底到封装成品。


有了合理的规模经济,下一个挑战是如何提高产品良率。鉴于SiC的固有特性,与硅相比,其缺陷密度要高得多,制造和开发界将面临改进工艺的挑战,从而降低报废成本。


一旦产品良率成熟,利用更大的晶圆直径(8英寸)将在提高资本效率方面发挥重要作用,并为更先进的SiC技术铺平道路。

(来源:功率系统设计)


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