SiC器件和封裝技術(shù)的發(fā)展情況分析

眾所周知，封裝技術(shù)是讓寬帶隙 (WBG) 器件發(fā)揮潛力的關(guān)鍵所在。碳化硅器件制造商一直在快速改善器件技術(shù)的性能表征，如單位面積的導(dǎo)通電阻 (RdsA)，同時同步降低電容以實現(xiàn)快速開關(guān)。新的分立封裝即將推出，它能讓用戶更好地利用寬帶隙快速開關(guān)性能?？捎玫臉?biāo)準(zhǔn)模塊越來越多，而且有越來越多的新先進(jìn)技術(shù)通過實現(xiàn)快速開關(guān)、降低熱阻與提高可靠性來提高產(chǎn)品價值。

器件技術(shù)

SiC 肖特基二極管銷售額占了 SiC 銷售額的50% 以上，其中大部分是 650V、1200V 和1700V 等級。650V 二極管用于計算機、服務(wù)器和電信電源內(nèi)的功率因數(shù)校正電路 (PFC) 以及高壓電池充電器內(nèi)的副邊整流器。1200V 和1700V 二極管用于太陽能升壓電路、變換器、焊接和工業(yè)電源中的各種電路。

與硅快速恢復(fù)二極管相比，SiC 肖特基二極管的QRR下降更大，從而使得硬開關(guān)連續(xù)導(dǎo)電電路中的半橋電路或斬波電路開關(guān)的EON損耗降低。由于純肖特基二極管在雪崩和正向浪涌條件下的不足，大部分制造商都提供 JBS 二極管，并添加了 PN 結(jié)，既將肖特基界面屏蔽于高場之外，以降低漏電，又改善雪崩穩(wěn)定性，同時允許在浪涌條件下實現(xiàn) PN 結(jié)雙極注入從而降低前向壓降。

一般而言，SiC 二極管的浪涌能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硅快速恢復(fù)二極管，很大一個原因是在浪涌條件下有很大的開態(tài)壓降。對于硅而言，該壓降可能只有 1-2V，而對于SiC 而言，可能達(dá)到4-6V。由于SiC 二極管晶粒要小得多，這種情況帶來了散熱挑戰(zhàn)。制造商采用圓片減薄技術(shù)來降低開態(tài)壓降，并降低熱阻。TO 和DFN 封裝中采用了先進(jìn)的晶粒粘接方案，如銀(Ag) 燒結(jié)，從而最大程度減少熱阻和阻止在浪涌條件下融化，而融化在傳統(tǒng)結(jié)中非常常見。這種特性能在約8-12 倍額定電流下提供充足浪涌能力。

從成品和電流額定值看，UnitedSiC 有100A，1200V 和200A，650V 兩種二極管可用于功率模塊中。還有多種符合 AEC-Q101 要求的銀燒結(jié)（無Pb，環(huán)保）二極管，可以用于汽車應(yīng)用。

SiC 晶體管技術(shù)

圖1 顯示的是用于功率轉(zhuǎn)換的 650V 高性能 FET 的占市場主流的主要器件結(jié)構(gòu)，氮化鎵 (GaN) HEMT（高電子遷移率晶體管）是其中唯一的兩個源級端子都在芯片上表面的橫向器件。硅基超結(jié)器件運用電荷平衡原理，其中，相等的 N 柱和P柱摻雜質(zhì)使得總凈電荷基本為零，因而可以快速消耗電壓支持，即使為了降低電阻而對N 柱進(jìn)行大量摻雜也是如此。2000 年至 2018 年，單位面積采用的N 柱有所增加，從而幫助將導(dǎo)通電阻降低到了傳統(tǒng)無電荷平衡的硅限制的近十分之一。硅基超結(jié)技術(shù)的年銷售額超過10 億美元，單位面積導(dǎo)通電阻(RdsA) 值低至8mΩ-cm2，處于行業(yè)前沿，而其他技術(shù)的單位面積導(dǎo)通電阻(RdsA) 值為12-18mΩ-cm2。GaN HEMT 現(xiàn)在的開關(guān)行為非常出色，它的RdsA目前處于 3-6mΩ-cm2范圍內(nèi)。這些橫向器件構(gòu)建在硅襯底上，該襯底比 SiC 襯底便宜很多，但是目前的GaN 器件仍比 Si 器件貴很多?，F(xiàn)在還有650V 的 SiC 溝槽式和平面式 MOSFET，其RdsA范圍為 2-4mΩ-cm2。UnitedSiC 第 2 代溝槽式 JFET (UJC06505K) 的RdsA值達(dá)到了 0.75mΩ-cm2。這意味著SiC JFET 晶粒體積可以達(dá)到硅晶粒的七分之一至十分之一，甚至可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 GaN 或SiC MOSFET 結(jié)構(gòu)。如果以實現(xiàn)與硅器件同成本為目標(biāo)，這一點十分重要。

圖1：硅基超結(jié)、GaN HEMT、碳化硅（SiC 平面式或溝槽式MOSFET）和 SiC 溝槽式JFET（結(jié)型場效應(yīng)晶體管）中最常用的650V 晶體管器件體系結(jié)構(gòu)。大部分功率器件都是垂直的，為大電流電極提供空間。GaN HEMT 為橫向器件，兩個功率電極都位于上表面

UnitedSiC FET 使用圖2 所示的共源共柵結(jié)構(gòu)，將低成本的 25V 硅MOSFET 與常開 SiC JFET 封裝到一起，形成可以與任何常關(guān)MOSFET、IGBT 或SiC MOSFET 一同使用的器件。該器件在續(xù)流二極管模式下的行為非常出色，并且無需將反向并聯(lián)硅快速恢復(fù)二極管與 IGBT 或SiC 肖特基二極管聯(lián)用。

圖 2：在UnitedSiC 共源共柵FET 中，一個 25V 硅MOSFET 與SiC JFET 一同封裝，實現(xiàn)了常關(guān)運行，簡化了柵極驅(qū)動，使得寄生二極管行為十分出色。該器件可以插入現(xiàn)有硅MOSFET 和IGBT 插槽，還能與所有類型的 SiC MOSFET 互換

圖3 比較了 IGBT、SiC MOSFET 和溝槽式JFET 的結(jié)構(gòu)。IGBT 是雙極器件，打開時拐點電壓為 0.7V，達(dá)到拐點電壓之后，由于電荷載流子注入，寬電壓阻攔層的電阻降低。因為必須去除這些載流子才能讓器件返回阻攔狀態(tài)，所以會有不可見的“開關(guān)”損耗，且損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采用SiC MOSFET 造成的損耗。在這種情況下，UnitedSiC 共源共柵產(chǎn)品的碳化硅單位面積電阻極低，甚至可以直接插入 IGBT 插槽中而無需更改柵極驅(qū)動，從而獲得更好的能效。如上篇文章所述，SiC MOSFET 和SiC Cascode FET 導(dǎo)電過程中沒有拐點電壓，因而即使在低頻應(yīng)用中也能提高能效。

圖3：在1200V 及更高電壓下，采用硅時最常見的器件結(jié)構(gòu)是電場終止型 IGBT。圖中還顯示了 SiC MOSFET 和SiC 溝槽式JFET 的結(jié)構(gòu)。SiC 器件采用厚度只有十分之一的電壓阻攔層以及 100 倍高的摻雜度，從而實現(xiàn)低電阻。硅IGBT 通過在開態(tài)中注入存儲的電荷來降低電阻，且在每次開關(guān)循環(huán)中必須加載和去除電荷

圖4 深入介紹了目前市場上的各種 SiC 晶體管方案。大部分供應(yīng)商提供 SiC 平面式MOSFET，還有一部分推出了溝槽式MOSFET。所有SiC MOSFET 的溝道遷移率都差（大約比硅差了15-30 倍），但是由于溝道的晶體定向，溝槽式MOSFET 的遷移率比較好。溝槽式 JFET 有一個遷移率非常高的體溝道，使得額定電壓為 650V-1700V 的器件中單位面積的電阻較低。

圖4：SiC 平面式和溝槽式 MOSFET以及SiC 溝槽式JFET 的器件結(jié)構(gòu)。MOSFET 的柵氧化層下有一個溝道，可通過給柵極施加電壓感應(yīng)到。JFET 溝道在無電壓的情況下也存在，可以通過對柵極-源級 PN 結(jié)施加反相偏壓而掐斷。溝槽式 JFET 中的低電阻是由體溝道帶來的，無需將柵氧化層屏蔽在高場強之外

SiC 器件的運行電場的場強通常是硅器件的10 倍，這是由厚度只有硅器件十分之一的基礎(chǔ)電壓支持層造成的。雖然這對JFET 等體溝道器件不構(gòu)成問題，但是對于 MOSFET 中的氧化物/SiC 界面處而言，必須仔細(xì)注意，避免各種程度的氧化應(yīng)激，因為氧化應(yīng)激可能導(dǎo)致運行壽命縮短或故障率過高。在平面式和溝槽式 JFET 中，通過屏蔽柵氧化層來管理電場會不可避免地導(dǎo)致導(dǎo)通電阻的進(jìn)一步提高。

SiC JFET 電阻現(xiàn)在非常低，在所有 650V 等級器件中以及 30-40% 的 1200V 等級器件中，器件所用的SiC 襯底的電阻占了總電阻的 50% 以上。為此，芯片的厚度從開始的350um 降至 100-150um，并使用專利方法形成激光輔助的背面觸點。推廣這種技術(shù)并改進(jìn)單元設(shè)計預(yù)計會將導(dǎo)通電阻進(jìn)一步降低至0.5mΩ-cm2(650V) 和 1.0mΩ-cm2(1200V)。因此，本就因迅速擴(kuò)大的產(chǎn)量而降低的 SiC 成本很可能會因這些技術(shù)改進(jìn)而進(jìn)一步降低。

現(xiàn)在生產(chǎn)的大部分芯片都是6 英寸芯片，8 英寸芯片的生產(chǎn)工作也已經(jīng)開始了。少數(shù)額定電流為 100A-200A 的器件現(xiàn)已有售。UnitedSiC 現(xiàn)在生產(chǎn) 9mohm，1200V 堆疊式共源共柵芯片(5.7x6.3mm) 和5.7m，1700V 芯片(8x8mm)。這些大電流器件可以通過降低并聯(lián)所需器件數(shù)量來簡化大電流模型。

封裝技術(shù)

SiC 器件即可作為獨立器件提供也可在需要大功率電平時置于功率模塊中。目前的市場主流產(chǎn)品為獨立的功率器件，不過模塊的市場份額正在迅速增長。

圖5 顯示了SiC 二極管和晶體管的各種可用獨立封裝。UnitedSiC 在不斷迅速增加封裝類型，為功率電路設(shè)計師提供他們所需的能滿足系統(tǒng)約束的各種選擇。幾乎所有這些封裝都是眾所周知的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝，與硅器件配合使用且應(yīng)用廣泛。雖然封裝的形狀系數(shù)保持不變，但是內(nèi)部可以添加許多增強功能，以更好地利用SiC 器件的能力。

圖5：SiC 二極管和晶體管的典型可用封裝選項系列，額定功率從左到右依次遞增。2A 至200A 器件有獨立外形。由于支持非常快的開關(guān)速度，源級開爾文封裝會讓SiC 晶體管表現(xiàn)突出

幾乎所有的 UnitedSiC 二極管和晶體管都使用銀燒結(jié)的方式將SiC 晶粒粘接到引腳框架上。在使芯片變得更薄的同時，這種方式還能幫助克服由于芯片體積變小產(chǎn)生的熱阻難題。

近期推出的SiC TO247-4L、D2PAK-7L 和DFN8x8 器件可幫助克服部分柵極驅(qū)動問題，這些問題與快速開關(guān)和使用更成熟的 D2PAK-3L、TO220-3L 和TO247-3L 等有大型常見源級電感的封裝相關(guān)。雖然傳統(tǒng)的3 引腳封裝是工業(yè)領(lǐng)域的主力產(chǎn)品，但是它正在讓位于“開爾文源級”封裝，因為這種封裝支持更加清晰和快速的開關(guān)且影響很小或者沒有影響。

共源共柵器件對因修改柵極電阻造成的短暫關(guān)閉的控制能力通常十分有限，尤其是在延遲時間較長并導(dǎo)致電路運行干擾時。為管理這一點，UnitedSiC 提供了具有不同速度范圍的器件，器件內(nèi)部經(jīng)過預(yù)先調(diào)整，以適應(yīng)某個最大開關(guān)速度（UJ3C 和UF3C 系列）。如果電路經(jīng)受過渡電壓過沖或電源環(huán)路振鈴，則采用小 RC 緩沖電路會非常有效，且能將耗損影響減到最低。UnitedSiC 網(wǎng)站上提供了用戶指南，為用戶提供了柵極驅(qū)動和緩沖電路建議，讓器件更易用。

鑒于相比硅器件，SiC 器件的電流密度越來越大，從頂部源級端子提取電流的封裝技術(shù)也在不斷進(jìn)步。鋁條帶鍵合、使用銅緩沖的粗銅引線鍵合、使用銅夾的無接線封裝等都是能夠延長獨立封裝和功率模塊中的SiC 晶體管功率循環(huán)壽命的重要新興方法。

預(yù)計嵌入式封裝能讓低電感體系結(jié)構(gòu)未來有更大改善空間，甚至能整合驅(qū)動器和電容，從而通過盡可能降低電感來提高快速開關(guān)效率。

許多功率模塊正在紛紛涌入市場，包括 Easy-1B/2B 這樣的較小模塊和標(biāo)準(zhǔn) IGBT 中的較大模塊，如34mm 和 62mm 占板空間以及 Econodual 樣式模塊。在電動車逆變器方面，許多技術(shù)正在針對 SiC 進(jìn)行優(yōu)化，包括帶翅片式散熱器的混合封裝式模塊和雙面冷卻選項。圖6 顯示的是 Semikron 提出的超低電感模塊，它能實現(xiàn)非?？斓拈_關(guān)速度且過沖電壓可控。圖 7 顯示的是 Apex 制造的含半橋驅(qū)動器和 FET 的 SIP 模塊，及其在使用 UnitedSiC 35mohm，1200V 堆疊式共源共柵產(chǎn)品時的相應(yīng)高速開關(guān)波形。

圖6：2017 年 Semikron 展示的400A，1200V 模塊，其回路電感僅為1.4nH。磁通相抵的低電感設(shè)計有助于SiC 充分發(fā)揮開關(guān)速度的優(yōu)勢，可在系統(tǒng)層面上實現(xiàn)性能提高和成本降低

圖 7：含UnitedSiC 35m，1200V 堆疊式共源共柵器件和內(nèi)置半橋驅(qū)動器的 SIP 模塊，正在40A，800V 且上升和下降時間極短的條件下進(jìn)行開關(guān)工作。雖然采用緊湊的高頻設(shè)計，但是這種進(jìn)步不僅讓使用高速器件變得更簡單，而且由于縮小了無源器件，系統(tǒng)層面獲得了很大的成本優(yōu)勢

人們一直認(rèn)為，SiC 器件會對電壓較高的應(yīng)用產(chǎn)生很大影響。首批位于 XHP 型占板空間中的3300V 和6500V 模塊現(xiàn)已發(fā)布，而 10kV 模塊也即將誕生。UnitedSiC 利用超共源共柵技術(shù)這一獨特方法進(jìn)入此領(lǐng)域，它將1700V 低電阻器件串聯(lián)，打造電壓更高的器件，且所有器件都由位于末端的一個低壓 FET 控制。已證實該方法具備很高的可擴(kuò)展性，能實現(xiàn)3300V – 20kV 的模塊，而無需高壓芯片。這對高壓固態(tài)斷路器和實施連接到中壓電網(wǎng)的固態(tài)變壓器都非常有用。

結(jié)論

SiC 器件和封裝技術(shù)還在繼續(xù)快速發(fā)展，促使在許多快速發(fā)展的終端市場應(yīng)用中的市場采用率不斷提高。這將推動許多不同方向的新寬帶隙產(chǎn)品開發(fā)，如用于直流轉(zhuǎn)換的極高速開關(guān)器件、電動車車載充電器、服務(wù)器電源、電感損耗非常低的電動車逆變器模塊。大量擁有這種改進(jìn)的寬帶隙器件能力的新一代系統(tǒng)設(shè)計目前正處于開發(fā)階段，SiC 技術(shù)必將使得市場上的整體功率性能和能效更上一層。