SiC器件和封裝技術(shù)現(xiàn)狀

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 (R_dsA)，同時(shí)同步降低電容以實(shí)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(shí)現(xiàn)快速開關(guān)、降低熱阻與提高可靠性來提高產(chǎn)品價(jià)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(jí)。650V 二極管用于計(jì)算機(jī)、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 Q_RR 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 E_ON 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(shí)允許在浪涌條件下實(shí)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(gè)原因是在浪涌條件下有很大的開態(tài)壓降。對(duì)于硅而言，該壓降可能只有 1-2V，而對(duì)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(gè)源級(jí)端子都在晶片上表面的橫向器件。硅基超結(jié)器件運(yùn)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(duì) 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 (R_dsA) 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 (R_dsA) 值為 12-18mΩ-cm²。GaN HEMT 現(xiàn)在的開關(guān)行為非常出色，它的 R_dsA 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。現(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(shí)現(xiàn)與硅器件同成本為目標(biāo)，這一點(diǎn)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(gè)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(gè) 25V 硅 MOSFET 與 SiC JFET 一同封裝，實(shí)現(xiàn)了常關(guān)運(yùn)行，簡化了柵極驅(qū)動(dòng)，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(shí)拐點(diǎn)電壓為 0.7V，達(dá)到拐點(diǎn)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?yàn)楸仨毴コ@些載流子才能讓器件返回阻攔狀態(tài)，所以會(huì)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(dòng)，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(diǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)低電阻。硅 IGBT 通過在開態(tài)中注入存儲(chǔ)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(gè)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(gè)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(duì)柵極-源級(jí) 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(qiáng)之外 

SiC 器件的運(yùn)行電場的場強(qiáng)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(duì) JFET 等體溝道器件不構(gòu)成問題，但是對(duì)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?yàn)檠趸瘧?yīng)激可能導(dǎo)致運(yùn)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(huì)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(jí)器件中以及 30-40% 的 1200V 等級(jí)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，晶片的厚度從開始的 350um 降至 100-150um，并使用專利方法形成激光輔助的背面觸點(diǎn)。推廣這種技術(shù)并改進(jìn)單元設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)會(huì)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(huì)因這些技術(shù)改進(jìn)而進(jìn)一步降低。

現(xiàn)在生產(chǎn)的大部分晶片都是 6 英寸晶片，8 英寸晶片的生產(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(dú)立器件提供也可在需要大功率電平時(shí)置于功率模塊中。目前的市場主流產(chǎn)品為獨(dú)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(dú)立封裝。UnitedSiC 在不斷迅速增加封裝類型，為功率電路設(shè)計(jì)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(qiáng)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(xiàng)系列，額定功率從左到右依次遞增。2A 至 200A 器件有獨(dú)立外形。由于支持非?？斓拈_關(guān)速度，源級(jí)開爾文封裝會(huì)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(shí)，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(dòng)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(jí)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(jí)”封裝，因?yàn)檫@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(duì)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(shí)間較長并導(dǎo)致電路運(yùn)行干擾時(shí)。為管理這一點(diǎn)，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(gè)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(huì)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(dòng)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(jí)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(dú)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(jì)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(dòng)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(dòng)車逆變器方面，許多技術(shù)正在針對(duì) 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(xiàng)。圖 6 顯示的是 Semikron 提出的超低電感模塊，它能實(shí)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(dòng)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(shí)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(jì)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(shí)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(dòng)器的 SIP 模塊，正在 40A，800V 且上升和下降時(shí)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(jì)，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(huì)對(duì)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(dú)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(gè)低壓 FET 控制。已證實(shí)該方法具備很高的可擴(kuò)展性，能實(shí)現(xiàn) 3300V – 20kV 的模塊，而無需高壓芯片。這對(duì)高壓固態(tài)斷路器和實(shí)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(dòng)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(dòng)車車載充電器、服務(wù)器電源、電感損耗非常低的電動(dòng)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(jì)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。