碳化硅IGBT絕緣襯底材料

目前，碳化硅（SiC）這種半導(dǎo)體材料因其在電力電子應(yīng)用中的出色表現(xiàn)引起了廣泛的關(guān)注。對(duì)晶圓和器件的研究在近年來(lái)已經(jīng)取得很大進(jìn)展。

碳化硅是一種寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體材料。禁帶通常是指價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的電子伏（eV）能差。價(jià)電子和原子結(jié)合形成傳導(dǎo)電子需要這種能量，而這種傳導(dǎo)電子可在晶格中自由移動(dòng)，并可作為電荷載子導(dǎo)電。絕緣體擁有極高的禁帶寬度，通常要高于4eV。

兩者均為半導(dǎo)體材料，但碳化硅的性能明顯優(yōu)于硅材料（Si），如表1所示

表1：碳化硅與硅的性質(zhì)

碳化硅的禁帶寬度是硅材料的3倍，擊穿電場(chǎng)的大小則是后者的10倍。這意味著，在相同的閉塞電壓下，碳化硅器件的漂移區(qū)域間隔可以減少至硅器件的十分之一。此外，就漂移區(qū)域的摻雜濃度而言，碳化硅器件比硅器件高100倍。大部分高阻塞電壓功率器件的導(dǎo)通電阻都是漂移區(qū)電阻。因此，在相同的閉塞電壓下，碳化硅器件的導(dǎo)通電阻（RDSon）是硅功率器件的千分之一。

碳化硅的電子漂移速度是硅材料的兩倍左右。此外，在相同的閉塞電壓下，碳化硅器件的漂移距離比硅器件要短。所有這些特性都表明，與硅器件相比，碳化硅器件可在更高的開關(guān)頻率下工作。

最后，碳化硅的熱導(dǎo)率是硅材料的三倍左右。此外，碳化硅的半導(dǎo)體固有溫度遠(yuǎn)高于1000°C。因此，在高溫環(huán)境下，碳化硅器件的穩(wěn)定性要優(yōu)于硅器件。

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對(duì)市場(chǎng)和應(yīng)用的影響

與硅器件相比，碳化硅器件擁有更低的運(yùn)行損耗、更快的開關(guān)速度和更出色的高溫工作穩(wěn)定性。這些特征能帶來(lái)許多系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于下一代電源模塊很有吸引力。

高溫穩(wěn)定性意味著碳化硅不僅可以在更高的溫度下工作，而且還可以經(jīng)受住不時(shí)出現(xiàn)的溫峰（取決于任務(wù)要求）。此外，更高的開關(guān)頻率能夠減少產(chǎn)品的大小和重量，因?yàn)楸恐氐拇判越M件被換成外形更小的元件。最后，更快的開關(guān)時(shí)間和更低的導(dǎo)通電阻能夠減少開關(guān)和傳導(dǎo)損耗，進(jìn)而提高系統(tǒng)效率。

即使碳化硅屬于價(jià)格（更）高的組件，系統(tǒng)成本通常也能得到降低。但這需要進(jìn)行詳盡的調(diào)查，因?yàn)樘蓟鑼?duì)所有常用的電力電子應(yīng)用而言情況不同。Power America和歐洲電力電子中心（ECPE）等組織發(fā)布了寬禁帶路線圖，表明了基于碳化硅的電源模塊的主要市場(chǎng)和應(yīng)用場(chǎng)景。光伏逆變器、不間斷電源（UPS）和電動(dòng)汽車的逆變器可在短期內(nèi)從碳化硅中獲利，而高電壓應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)還需要一定時(shí)間。

2

封裝是一個(gè)限制因素

有了碳化硅器件后，應(yīng)用不僅能夠?qū)崿F(xiàn)顯著的效率改進(jìn)，而且能夠降低體積和重量。前提是，將該器件整合入應(yīng)用的過(guò)程并不會(huì)抵消這些優(yōu)點(diǎn)。因此，作為第一步，封裝方面需要特別注意。

前面說(shuō)過(guò)，每塊芯片的開關(guān)和傳導(dǎo)損耗將會(huì)極大地減少，而芯片面積也會(huì)繼續(xù)縮小。最后，功率損耗的密度將會(huì)增加，從而必須仔細(xì)選擇封裝方式以解決較高的散熱需求。此外，器件能夠在更高的結(jié)溫下工作，而溫升還會(huì)增加。因此，對(duì)于高溫穩(wěn)定性、冷卻和可靠性的要求將會(huì)更加嚴(yán)苛，必須根據(jù)情況選擇模塊外殼、器件連接、散熱底板和散熱所用的封裝材料。模塊外殼的新材料可能需要滿足高工作溫度的要求。互聯(lián)器件的新技術(shù)將代替?zhèn)鹘y(tǒng)笨重的鋁線?，F(xiàn)在，在氮化硅活性金屬釬焊（Si3N4 AMB）基板上銀燒結(jié)模具能夠更好地解決這些冷卻和可靠性問(wèn)題。我們也可以期待一些采用厚銅層、低熱阻和綜合散熱器的創(chuàng)新解決方案，以優(yōu)化熱容、熱擴(kuò)散以及從芯片到冷卻劑散熱距離。

除上述挑戰(zhàn)外，碳化硅快切器件還可能出現(xiàn)一些電氣方面的問(wèn)題。在斷開閉鎖模式這一極短的開關(guān)時(shí)間中，電壓的下降會(huì)產(chǎn)生電流斜率，進(jìn)而導(dǎo)致明顯的過(guò)電壓和振蕩。放慢器件的速度并不是一個(gè)明智的選擇。這種問(wèn)題可通過(guò)電源模塊內(nèi)或附近的低電感電流解決。短路環(huán)、相反平面中的電流以及多條對(duì)稱的電流路徑是在設(shè)計(jì)電源模塊、直流基板（包括電容）及其連接時(shí)必須考慮的基本要素。另一個(gè)問(wèn)題與交流電和地面間的電容耦合有關(guān)。當(dāng)開關(guān)速度極快時(shí)，這一耦合就成為了系統(tǒng)的關(guān)鍵，因?yàn)槠鋾?huì)產(chǎn)生極高的電磁干擾。同樣地，電源模塊的巧妙設(shè)計(jì)能夠盡量減少這一影響。

最后，成本或?qū)⒊蔀樘蓟杵骷茝V面臨的最大挑戰(zhàn)。雖然這些器件價(jià)格高昂，但它們能夠大幅降低成本。但是，由于這些器件會(huì)影響系統(tǒng)成本，我們必須盡可能地在滿足要求的情況下，減少所用的器件數(shù)量。因此，需要熱管理解決方案在縮小芯片面積的同時(shí)，最大化緊湊輕巧封裝的輸出功率。

IGBT芯片是IGBT器件的主要部分，通常由硅制成。它由四個(gè)區(qū)域組成：N+型集電極、P型漏極、N型溝道和P+型柵極。IGBT芯片中使用的重要技術(shù)是溝道控制、載流子注入和處理高電壓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。IGBT芯片集IGBT的驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、保護(hù)電路于一體。

圖示：IGBT基本結(jié)構(gòu)

那為什么不使用SiC來(lái)制造IGBT呢？那就要從SiC本身的特性開始說(shuō)起~

優(yōu)點(diǎn)：耐高溫、高壓、損耗低，用在高壓大功率的應(yīng)用中再合適不過(guò)了。

缺點(diǎn)：存在很多技術(shù)問(wèn)題，包括周期時(shí)間、成本預(yù)算、器件良品率不一致等。

圖示：SiC性能五屬性比較

著重要聲明的是，SiC其實(shí)是可以做IGBT的，而我們看不到的原因是：因制備成本太高，且性能“過(guò)剩”，因此在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都“毫無(wú)競(jìng)爭(zhēng)力”，因此目前無(wú)存活空間，所以你就基本看不到商業(yè)化的SiC IGBT了。

Si材料的Mosfet存在一個(gè)問(wèn)題，即耐受電壓能力高了芯片就會(huì)相應(yīng)地變厚，導(dǎo)通損耗也就很高，所以硅材料的Mosfet一般只能做低壓器件。

SiC是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，可以做到很高的耐壓下芯片還很薄，而現(xiàn)在SiC的Mosfet可以做到6500V耐壓，已經(jīng)能覆蓋現(xiàn)在的IGBT耐壓水平了，且Mosfet的芯片結(jié)構(gòu)比IGBT簡(jiǎn)單，所以目前沒(méi)有必要用SiC來(lái)做IGBT浪費(fèi)成本。除非以后需要10kV級(jí)別的器件才有可能考慮SiC的IGBT。

不過(guò)其實(shí)SiC IGBT已經(jīng)有了，但是只是在高耐壓開關(guān)的場(chǎng)合小范圍內(nèi)使用，例如某些換流站和牽引站，目前還沒(méi)有大規(guī)模的推廣碳化硅的IGBT。

未來(lái)是否會(huì)大規(guī)模的使用SiC來(lái)做IGBT呢？

目前全球都對(duì)碳化硅寄予厚望，認(rèn)為SiC是一種具有巨大潛力和優(yōu)勢(shì)的半導(dǎo)體材料，可以用于高壓大功率領(lǐng)域，提高電力電子技術(shù)的效率和密度。也是一種戰(zhàn)略性新材料，對(duì)于提升國(guó)家科技實(shí)力和能源安全有重要意義。

國(guó)際上有很多公司和機(jī)構(gòu)在研究和開發(fā)SiC器件和應(yīng)用，如Infineon, Creei, Rohm, STMicroelectronics等。國(guó)內(nèi)如中科院半導(dǎo)體所、中電科、中電49所、中微半導(dǎo)體、華大半導(dǎo)體等。但是想用MOSFET完全取代IGBT并沒(méi)有明確的肯定答案。分析下MOSFET和IGBT各自的優(yōu)缺點(diǎn)就可知道原因。MOSFET可以取代低壓低電流的IGBT，因?yàn)镸OSFET有更低的導(dǎo)通損耗和更快的開關(guān)速度。但是MOSFET不能取代高壓高電流的IGBT，因?yàn)镸OSFET的耐壓能力和電流承受能力都比IGBT低，而且MOSFET的導(dǎo)通損耗會(huì)隨著電壓和電流的增加而急劇增加。IGBT可以取代大部分的MOSFET，但是這樣做可能會(huì)造成性能的浪費(fèi)和成本的增加，因?yàn)镮GBT有更高的導(dǎo)通壓降和更慢的開關(guān)速度。

絕緣襯底主要是作為半導(dǎo)體芯片的底座，同時(shí)會(huì)在絕緣襯底上沉積導(dǎo)電材料、絕緣材料和阻性材料，還能形成無(wú)源的元器件。作為功率模塊機(jī)械支撐的結(jié)構(gòu)，需要能夠耐受不同的工作環(huán)境，并且需要有足夠的熱導(dǎo)率將芯片等產(chǎn)生的熱量快速傳遞出去。并且，一些后續(xù)的工藝，如薄膜，綁定，間距等等，需要絕緣襯底能夠擁有一個(gè)較為合理的平整度。

功率模塊的襯底選擇標(biāo)準(zhǔn)

電氣特性

高體電阻率：＞1012Ω/cm

高介電強(qiáng)度：＞200V/mil (1mil=0.0254mm)

低介電常數(shù)：＜15

熱特性

高導(dǎo)熱率：有效熱傳導(dǎo)＞30W/m·K

與半導(dǎo)體芯片的熱膨脹系數(shù)較為匹配：一般選擇在

2~6×10-6/℃

高耐溫：一般能夠滿足后續(xù)加工工藝的最大溫度

機(jī)械特性

高抗拉強(qiáng)度：＞200MPa

高抗彎強(qiáng)度：＞200MPa

硬度較合理

機(jī)械可加工性：易于磨削、拋光、切削和鉆孔等

可金屬化：適用于較為常見(jiàn)的金屬化技術(shù)，如薄膜和厚膜工藝、電鍍銅等等，這段我們下篇聊

化學(xué)特性

耐酸、堿及其他工藝溶液的腐蝕

低吸水率、空隙小

無(wú)毒性

不會(huì)等離子化

密度

低密度：機(jī)械沖擊能夠最小化

成熟度

技術(shù)較為成熟

材料供應(yīng)能夠滿足

成本盡可能低，（說(shuō)性價(jià)比高更為合適，畢竟不同的應(yīng)用所能容許的成本高低不同）

目前幾種適用于功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用的絕緣襯底材料有下面幾種：

?陶瓷材料（3種）：Al2O3(96%,99%)、AlN、BeO

?硅基襯底：Si3N4

其中屬氧化鋁較為常見(jiàn)，不過(guò)在功率半導(dǎo)體芯片等框架確定時(shí)，一些供應(yīng)商會(huì)通過(guò)改變模塊中的其他成分，來(lái)達(dá)到要求，所以AlN和Si3N4也算常見(jiàn)。下面，我們來(lái)聊聊這幾種絕緣襯底材料的優(yōu)劣。

一、氧化鋁（Al2O3）

優(yōu)勢(shì)：

是絕緣襯底最為常用的材料，工藝相對(duì)較為成熟；成本較低；性能能夠滿足我們上述的要求；

劣勢(shì)：

導(dǎo)熱系數(shù)較低，熱膨脹系數(shù)(6.0~7.2×10-6/℃)與半導(dǎo)體芯片(Si基的一般為2.8×10-6/℃)的熱膨脹系數(shù)不算太匹配；高介電常數(shù)；抗酸性腐蝕性能一般；

所以，氧化鋁適用于中、低功率器件；適合高壓和低成本器件；適用于密封封裝；99%的氧化鋁性價(jià)比更高一些。

二、氮化鋁（AlN）

優(yōu)勢(shì)：

熱導(dǎo)率高，約為Al2O3的6倍，較為適合大功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用；AlN的熱膨脹系數(shù)為4.6×10-6/℃，較為匹配芯片；性能同樣滿足我們上述的要求；

劣勢(shì)：

是一種較新的材料，但與氧化鋁和氧化鈹相比工藝還不算成熟；在其表面直接敷銅的難度較大，易發(fā)生熱疲勞失效；成本約為氧化鋁的4倍；并且在較高溫度和較大濕度下可能會(huì)分解為水合氧化鋁；

適合大功率半導(dǎo)體器件的理想襯底之一，由于其機(jī)械斷裂強(qiáng)度一般，應(yīng)用時(shí)需要合金屬底板配合使用。

三、氧化鈹（BeO）

優(yōu)勢(shì)：

極其優(yōu)異的熱導(dǎo)率，約為Al2O3的8倍；同樣適合大功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用；工藝成熟；

劣勢(shì)：

無(wú)論是固態(tài)粉末還是氣態(tài)都是有毒性的；熱膨脹系數(shù)相對(duì)較大，約為7.0×10-6/℃；機(jī)械強(qiáng)度較差，只有Al2O3的60%左右；成本是氧化鋁的5倍；

有毒性大大限制了這種材料的使用。

四、氮化硅（Si3N4）

優(yōu)勢(shì)：

熱膨脹系數(shù)約為3.0×10-6/℃，與半導(dǎo)體芯片較為接近；機(jī)械性能優(yōu)越：是Al2O3和AlN的2倍以上，是BeO的3倍；熱導(dǎo)率高，是Al2O3的2.5倍；適合大功率半導(dǎo)體的應(yīng)用；高溫強(qiáng)度高，抗熱震性優(yōu)良；

劣勢(shì)：

技術(shù)相對(duì)還沒(méi)有那么成熟，所以供應(yīng)商也相對(duì)有限；不適合酸性環(huán)境下的應(yīng)用；成本是Al2O3的2~2.5倍；

對(duì)于大功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，Si3N4應(yīng)該是目前最優(yōu)的襯底材料，CTE和熱導(dǎo)率較為優(yōu)勢(shì)，可靠性也較高。

以上4種絕緣襯底，最常見(jiàn)的氧化鋁，最不常見(jiàn)的氧化鈹，以及較為優(yōu)異的碳化硅，很多廠家都在針對(duì)不同的應(yīng)用來(lái)搭配不同的絕緣襯底，這一點(diǎn)能夠在芯片技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，間接地更大效率地發(fā)揮已有芯片的性能。