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(xiàng)目所要達(dá)到的目標(biāo)之一。ECSEL JU和ESI協(xié)同為該項(xiàng)目提供資金支持，實(shí)現(xiàn)具有重大經(jīng)濟(jì)和社會影響的優(yōu)勢互補(bǔ)的研發(fā)活動。由DTSMNS(Distretto Tecnologico Sicilia Micro e Nano Sistemi)牽頭，20個項(xiàng)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(xiàng)目中與汽車相關(guān)的內(nèi)容，重點(diǎn)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(jī)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(jī)構(gòu)和研究實(shí)驗(yàn)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(xiàng)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)室層面模擬操作環(huán)境，推進(jìn)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(jī)所用的電子元器件是本項(xiàng)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(diǎn)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]
I. WInSiC4AP 的主要目標(biāo)
A. 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)。
B. 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(xiàng)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(jī)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(xiàng)目的實(shí)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)。
II. WInSiC4AP項(xiàng)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?yàn)榘雽?dǎo)體的物理特性(摻雜劑的極低擴(kuò)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(shí)現(xiàn)截止電壓高于1200V和1700V的兩種SiC功率MOSFET，電流強(qiáng)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(xiàng)目的SiC MOSFET開發(fā)活動主要在2018年進(jìn)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(xiàng)目開發(fā)的新器件將會實(shí)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(shí)現(xiàn)原型演示品。
III. 功率模塊
WInSiC4AP項(xiàng)目設(shè)想通過技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)先進(jìn)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：
ü 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
ü 能夠在200°C或更高溫度環(huán)境中工作。
項(xiàng)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(shí)，有必要在項(xiàng)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(shí)上，為滿足本項(xiàng)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(xiàng)目將使用的一個模塊。
圖7：STA5汽車功率模塊(最大功率100kW)。
A. 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
II. 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(xiàng)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(jìn)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(jì)產(chǎn)生積極的影響。