摘要 – 在未來幾年投入使用SiC技術(shù)來應(yīng)對汽車電子技術(shù)挑戰(zhàn)是ECSEL JU 的WInSiC4AP項目所要達(dá)到的目標(biāo)之一。ECSEL JU和ESI協(xié)同為該項目提供資金支持，實現(xiàn)具有重大經(jīng)濟和社會影響的優(yōu)勢互補的研發(fā)活動。由DTSMNS（Distretto Tecnologico Sicilia Micro e Nano Sistemi）牽頭，20個項目合作方將在技術(shù)研究、制造工藝、封裝測試和應(yīng)用方面展開為期36個月的開發(fā)合作。本文將討論本項目中與汽車相關(guān)的內(nèi)容，重點介紹有關(guān)SiC技術(shù)和封裝的創(chuàng)新。

Introduction

簡介

WInSiC4AP聯(lián)盟由來自4個歐盟國家（意大利、法國、德國和捷克共和國）的20個合作伙伴組成，包括大型企業(yè)、中小企業(yè)、大學(xué)和政府科研機構(gòu)。在這種背景下，企業(yè)（汽車制造、航空電子設(shè)備、鐵路和國防）和垂直產(chǎn)業(yè)鏈（半導(dǎo)體供應(yīng)商，電感器和電容器廠商）以及學(xué)術(shù)機構(gòu)和研究實驗室將合作設(shè)計解決方案，解決技術(shù)難題，分享專有知識，同時也可能出現(xiàn)無法預(yù)料的結(jié)果。WInSiC4AP的核心目標(biāo)是為高能效、高成本效益的目標(biāo)應(yīng)用開發(fā)可靠的技術(shù)模塊，以解決社會問題，克服歐洲在其已處于世界領(lǐng)先水平的細(xì)分市場以及汽車、航空電子、鐵路和國防領(lǐng)域所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。WInSiC4AP方法是依靠產(chǎn)業(yè)垂直整合的優(yōu)勢，按照應(yīng)用需求優(yōu)化技術(shù)，發(fā)展完整的生態(tài)系統(tǒng)，并將相關(guān)問題作為可靠性問題給予全面分析。在當(dāng)今美日等國家正在發(fā)展碳化硅技術(shù)，新企業(yè)搶占市場的背景下，該項目將提升歐盟工業(yè)、一級和二級供應(yīng)商以及產(chǎn)業(yè)鏈下游企業(yè)的競爭力。項目組將針對目標(biāo)應(yīng)用開發(fā)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和架構(gòu)，在實驗室層面模擬操作環(huán)境，推進目前急需的還是空白的技術(shù)、元器件和演示產(chǎn)品的研發(fā)工作，以縮小現(xiàn)有技術(shù)水平與技術(shù)規(guī)范的極高要求之間的差距。

在開始討論技術(shù)和開發(fā)目標(biāo)前，先看一下圖1的電動汽車概念的簡單示意圖。在這種情況下，功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和牽引電機所用的電子元器件是本項目的研究方向。

圖1：電動汽車工作原理示意圖

[資料來源：卡塔尼亞大學(xué)演講文稿]

圖2是大家都熟悉的硅和寬帶隙材料（SiC，GaN）的比較圖。在開關(guān)頻率不是重點的汽車應(yīng)用中，卓越的驅(qū)動性能和寬廣的工作溫度范圍讓SiC成為電動汽車設(shè)計者的首選功率器件。

圖2：Si、SiC和GaN的特性優(yōu)值比較[來源：YoleDéveloppement]

WInSiC4AP 的主要目標(biāo)

主要目標(biāo)

WInSiC4AP致力于為高能效、高成本效益的目標(biāo)應(yīng)用開發(fā)可靠的技術(shù)模塊，以解決社會問題，并克服歐洲在其已處于世界領(lǐng)先水平的細(xì)分市場以及汽車、航空電子、鐵路和國防領(lǐng)域所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

演示品

所有技術(shù)開發(fā)和目標(biāo)應(yīng)用的講解和展示都是使用含有本項目開發(fā)出來的SiC技術(shù)模塊和封裝的原型演示品：

汽車與鐵路：

1.PHEV（插電式混動汽車）或BEV（純電動汽車）車載充電器

2.HEV（混動汽車）、BEV和FC（燃料電池汽車）隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器

3. 鐵路機車智能功率開關(guān)（IPS-RA）

4. 航空級智能功率開關(guān)（IPS-AA）

納 / 微電網(wǎng)與航空電子：

5.用于納米/微電網(wǎng)V2G / V2H的高效雙向SiC功率轉(zhuǎn)換器

6.航空電子逆變器。

航空電子：

7. LiPo接口

8.引擎控制器 - 逆變器

該項目的實施分為三個主要階段：規(guī)范和用例定義，技術(shù)開發(fā)，原型演示品開發(fā)。

WInSiC4AP項目中的SiC技術(shù)

SiC器件的制造需要使用專用生產(chǎn)線，這是因為半導(dǎo)體的物理特性（摻雜劑的極低擴散性和晶格的復(fù)雜性），以及市場現(xiàn)有晶片的直徑尺寸較小（150mm），特別是離子注入或摻雜劑激活等工藝與半導(dǎo)體器件制造工藝中使用的常規(guī)層不相容[1]。

因此，這些特異性需要特殊的集成方案。

使用這些方法將可以實現(xiàn)截止電壓高于1200V和1700V的兩種SiC功率MOSFET，電流強度為45A，輸出電阻小于100mΩ。

這些器件將采用HiP247新型封裝，該封裝是專為SiC功率器件設(shè)計，以提高其散熱性能。SiC的導(dǎo)熱率是硅[2]的三倍。以意法半導(dǎo)體研制的SiC MOSFET為例，即使在200°C以上時，SiC MOSFET也能保持高能效特性。

WInSiC4AP項目的SiC MOSFET開發(fā)活動主要在2018年進行。圖3、圖4、圖5分別給出了器件的輸出特性、閾值電壓和擊穿電壓等預(yù)測性能。

圖3 ： SiC SCT30N120中MOSFET在25和200℃時的電流輸出特性。

在整個溫度范圍內(nèi)，輸出電阻遠(yuǎn)低于100 mOhm; 當(dāng)溫度從25℃上升到200℃時，閾值電壓值（Vth）降低了600mV，擊穿電壓（BV）上升了約50V，不難看出，SiC MOSFET性能明顯高于硅MOSFET。

圖4 ：SiC SCT30N120中的MOSFET在25和200°C時的閾值電壓

圖5： SiC SCT30N120中MOSFET在25和200°C時的擊穿電壓特性

從其它表征數(shù)據(jù)可以看出，隨著溫度從25℃上升至200℃，開關(guān)耗散能量和內(nèi)部體漏二極管的恢復(fù)時間保持不變。

本項目開發(fā)的新器件將會實現(xiàn)類似的或更好的性能。Rdson降低是正在開發(fā)的SiC MOSFET的關(guān)鍵參數(shù)。最低的Rdson值將幫助最終用戶實現(xiàn)原型演示品。

功率模塊

WInSiC4AP項目設(shè)想通過技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)先進的封裝技術(shù)，發(fā)揮新型SiC器件能夠在高溫[3,4]下輸出大電流的性能優(yōu)勢。

關(guān)于封裝技術(shù)，WInSiC4AP將一方面想在完整封裝方案的高溫穩(wěn)健性方面取得突破，另一方面想要控制封裝溫度變化，最終目標(biāo)是創(chuàng)造新的可靠性記錄：

可靠性是現(xiàn)有技術(shù)水平5倍多; 高溫性能同樣大幅提升

能夠在200°C或更高溫度環(huán)境中工作。

項目將針對集成式SiC器件的特性優(yōu)化封裝方法，采用特別是模塑或三維立體封裝技術(shù)，開發(fā)新一代功率模塊，如圖6所示。

圖6： 新一代功率模塊（here 3D）

考慮到SiC是一種相對較新的材料，SiC器件的工作溫度和輸出功率高于硅的事實，有必要在項目內(nèi)開發(fā)介于芯片和封裝（前工序和后工序）之間的新方法和優(yōu)化功率模塊。

事實上，為滿足本項目將要開發(fā)的目標(biāo)應(yīng)用的功率要求，需要在一個功率模塊內(nèi)安裝多個SiC器件（> 20個）。功率模塊需要經(jīng)過專門設(shè)計，確保器件并聯(lián)良好，最大限度地減少導(dǎo)通損耗和寄生電感，開關(guān)頻率良好（最小20kHz）。

圖7所示是本項目將使用的一個模塊。

圖7：STA5汽車功率模塊（最大功率100kW）。

縮略語

R&D 研發(fā)
SiC碳化硅
PHEV插電式混動汽車

BEV純電動汽車

FC燃料電池

HEV混動汽車
EV電動汽車

結(jié)論

得益于SiC材料的固有特性，新一代功率器件提高了應(yīng)用能效，同時也提高了工作溫度。

從項目的角度看，熱動力汽車向混動汽車和最終的電動汽車發(fā)展，需要使用高效的先進的電子產(chǎn)品，我們預(yù)計碳化硅技術(shù)在新車中的應(yīng)用將會對經(jīng)濟產(chǎn)生積極的影響。