下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
SiC是由Si原子和C原子以1:1的比例构成的化合物半导体材料，Si原子和C原子以sp 3 杂化形成共价键，为四面体键合。图1-22所示为构成SiC晶体的基本单元，每个Si原子周围有4个C原子，每个C原子周围有4个Si原子。
图1-22 SiC晶体基本单元
由于SiC的层错形成能量较低，导致SiC堆垛顺序非常丰富，形成了200余种多型体。在Ramsdell符号表示下，常见的SiC多型体有3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC，其中“3”“4”“6”表示单位晶胞中Si-C双原子层的层数，“C”表示立方晶系，“H”表示六方晶系。在众多SiC多型体中，4H-SiC最适合作为功率器件材料。
表1-2中给出Si和SiC半导体材料主要参数，基于这些参数可以了解到材料特性对器件的影响。
表1-2 Si、SiC半导体材料主要参数对比
1.能带
当原子处于孤立状态的情况，电子位于离散的能级上。而晶体是由大量原子组成的，它们之间的距离很近。根据泡利不相容原理，各原子中原本能量相同的能级被分化为处于一定能量范围的一系列能级。由于原子数量众多，密集的能级就形成了能带。
能带结构如图1-23所示。价电子所处的能带被称为价带，在半导体中价带被电子完全占据，不具有导电能力。当受到激发时，价带中的电子将跃迁到能量更高的能带。由于电子填充数量少，在外电场的作用下，电子可以进行漂移运动而形成电流，此能带被称为导带。导带中的电子和由于缺少电子而在价带中产生的空穴被称为载流子。价带和导带之间没有能级，即没有电子能存在其中，被称为禁带。禁带宽度越大，将电子由价带激发至导带所需要的能量就越大，材料的绝缘性能就越好。
图1-23 能带结构
没有掺杂外来原子的半导体叫做本征半导体，当温度 T >0K时，就会有电子从价带激发到导带，这就是本征激发，所产生的载流子称为本征载流子。为了改善半导体材料的特性，会对本征半导体进行掺杂。Si中通常掺杂P和B，SiC中通常掺杂Al和N。
2.禁带宽度
由于Si-C共价键极性强，对价电子的束缚紧，需要更多的能量才能将价电子从价带激发到导带。故SiC的禁带宽度比Si要大，SiC禁带宽度是3.26eV，为Si的3倍左右。正因如此，SiC被称为宽禁带半导体材料。
3.击穿电场强度
在强外电场的作用下，半导体材料中价带电子会被激发到导带中。当外电场强到一定程度时，半导体材料将丧失电绝缘能力，即被击穿，此时的外电场强度被称为击穿电场强度。
如前所述，高压垂直型MOSFET主要靠漂移区承受电压，漂移区越厚，能够承受的击穿电压也越高。但这也导致导通电阻 R DS(on) 中占比最大的漂移区电阻 R drift 和器件单位面积导通电阻 R DS(on),sp 也越大。同时，虽然掺杂浓度越高电阻率越低，但掺杂浓度越高电场斜率越大，反而需要更厚的漂移区，这就使得不能简单地通过增加掺杂浓度有效降低Si器件的 R DS(on),sp 。以上正是Si MOSFET无法在合理的芯片面积下同时实现高电压和大电流的原因。
SiC为宽禁带半导体材料，其在25℃下的击穿电场强度为2.5MV/cm，为Si的10倍。因此，在相同击穿电压条件下，SiC MOSFET的漂移区可以采取更高的掺杂浓度以降低电阻率，同时还能够大幅减小漂移区厚度，显著降低器件 R DS(on),sp 。图1-24所示为Si和SiC耐压值与 R DS(on),sp 的理论值。
图1-24 Si和SiC耐压值与 R DS(on),sp 的理论值
故在相同的 R DS(on) 下，SiC MOSFET的芯片面积更小。例如在900V电压等级下，SiC MOSFET可以仅用Si MOSFET 1/30的芯片面积实现同等的 R DS(on) 。芯片面积越小，其结电容也越小，故SiC MOSFET的开关速度更快，能够工作在更高的开关频率下。同理，在相同的芯片面积下，SiC MOSFET的 R DS(on) 也会更低。故SiC MOSFET能够同时实现高电压和大电流。现在商用1200V电压等级SiC MOSFET单颗芯片的 R DS(on) 已经达到16mΩ的水平。
相比于Si二极管，SiC二极管也具有类似的优势。
4.本征载流子浓度
本征载流子是通过本征激发而产生的，与禁带宽度有关，本征载流子浓度 n i 随着禁带宽度的增加呈指数式减少。由于SiC的禁带宽度更大，其 n i 远远小于Si。在25℃下，SiC的 n i 为5×10 -9 /cm 3 ，仅为Si的1/10 19 。
热激发是本征激发的主要途径， n i 与温度有关，随着温度的升高而指数式增大。当温度足够高时， n i 过大，半导体材料变为导体，此时的温度称为本征温度。图1-25所示为Si和SiC本征载流子浓度与温度的关系，可以看到即使在高温下，SiC的本征载流子浓度也远远小于Si。这使得SiC器件可以工作在更高的温度下，Si器件的最高工作温度不超过200℃，而SiC器件在300℃下也可以正常工作。
图1-25 Si和SiC本征载流子浓度 n i 与温度的关系
5.载流子饱和漂移速度
载流子在外电场的作用下进行漂移运动形成电流，受晶格的阻挡，其漂移速度是有上限的，即饱和漂移速度。SiC的载流子饱和漂移速度为2×10 7 cm/s，为Si的2倍。较高的载流子饱和漂移速度有利于提高器件的频率特性和开关速度，但这一优势主要对射频（RF）器件更有帮助，对功率器件的性能提升有限。
6.热导率
SiC材料的导热系数为390W/mK，是Si的2.6倍，与导热性能最好的银（419W/mK）和铜（381W/mK）相当。如此高的热导率，使很多人认为SiC器件的散热会更加容易处理。然而在相同规格下，SiC器件芯片面积较Si器件大大缩小，这就使得SiC芯片到器件外壳的热阻要比Si的大很多，反而增加了散热的难度。
目前，多家供应商提供了SiC MOSFET器件产品。按MOSFET导通沟道方向区分，在售的产品主要有平面沟道VDMOS及垂直沟道Trench MOS。Wolfspeed公司各代产品和部分厂商的早期产品均采用平面沟道SiC VDMOS [2] ，其结构如图1-26所示。Trench MOSFET由于不存在平面VDMOS的JFET电阻区域并拥有更小的元胞尺寸，相比于平面VDMOS可以获得更小的特征导通电阻，提升器件的集成度，减小芯片面积，将是下一代SiC MOSFET的主流结构。
ROHM公司目前采用的是Double Trench MOSFET结构 [3] ，该结构基于传统的单沟槽MOSFET器件结构设计，如图1-27所示。单沟槽结构由于只有栅区拥有沟槽结构，容易出现栅氧化层可靠性问题，ROHM公司通过在源区引入沟槽结构，成功抑制了栅氧化层处的峰值电场，改善了沟槽MOSFET栅氧化层可靠性问题。
图1-26 Wolfspeed SiC MOSFET结构
Infineon公司目前采用的是CoolSiC Trench MOSFET结构 [4] ，如图1-28所示。该结构基于沟槽MOSFET结构设计，沟道垂直表面排布，沟道迁移率要大于采用平面沟道的器件。由于4H-SiC外延生长过程中一般会偏离4H-SiC衬底4°来生长外延材料，在沟槽侧壁上的大多数MOS沟道方向相对于晶向是偏离的，因此在Infineon公司的器件中可看到非对称的结构，选取了最优的通路作为器件的沟道。
图1-27 ROHM SiC MOSFET结构
图1-28 Infineon SiC MOSFET结构
Mitsubishi公司目前同样采用一种非对称结构的沟槽MOSFET结构 [5] ，其结构如图1-29所示。在栅沟槽区域，通过三次离子注入分别形成电场限制结构、侧接地电场限制层及高浓度掺杂导电区域。该结构的优势在于通过电场限制结构将施加到栅极绝缘膜上的电场强度降低到传统平板型功率半导体器件的水平，确保器件的可靠性；通过侧接地电场限制层形成连接电场限制层和源极的侧接地，实现高速开关动作；通过将氮元素斜向注入，在局部形成更容易通电的高浓度掺杂层，从而降低电流通路的电阻。
图1-29 Mitsubishi SiC MOSFET结构
此外，为了进一步提升SiC MOSFET的性能，HestiaPower公司提出了一种集成了肖特基二极管（SBD）的SiC VDMOS器件 [6] ，如图1-30所示。相比于传统VDMOS器件中存在的体二极管，肖特基二极管由于是多子器件，不存在少子抽取效应，拥有好的反向恢复特性。
图1-30 HestiaPower SiC MOSFET结构
SiC MOSFET分立器件产品的主要供应商有Infineon、ROHM、Wolfspeed、ST、ON、Littelfuse、Microsemi、GeneSiC等公司。它们提供的产品涵盖650V、700V、900V、1000V、1200V、1700V，如图1-31所示。
图1-31 SiC MOSFET分立器件产品
SiC MOSFET分立器件产品采用的封装形式有TO-247、TO-247-4、TO-263-7、TO-252等，如图1-32所示。
图1-32 SiC MOSFET分立器件产品封装
SiC二极管分立器件产品的主要供应商有Infineon、ROHM、Wolfspeed、ST、ON、Littelfuse、Microsemi、GeneSiC、UnitedSiC、SemiQ等。它们提供的产品涵盖600V、650V、1200V、1700V，如图1-33所示。
SiC二极管分立器件产品采用的封装形式有TO-247、TO-247-2、TO-220、TO-220-2、TO-252、TO-252-2、TO-263、TO-263-2、DFN8x8、DDPAK等，如图1-34所示。
SiC功率半导体器件具备更为优异的特性，同时其对功率模块封装也提出新的期望，具体主要体现在以下几方面：
首先SiC器件开关速度快，对功率模块封装的寄生参数有更高的要求。更高的d i /d t 要求更小的主回路寄生电感，防止产生过高的电压过冲和振荡，威胁器件本身的安全运行，影响模块的电气可靠性，并引发系统电磁干扰问题；更高的d v /d t 要求更小的寄生电容，防止产生过大的共模电流，干扰驱动或控制信号。
图1-33 SiC二极管分立器件产品
图1-34 SiC二极管分立器件产品封装（部分）
其次，SiC器件芯片面积更小、通流能力更强，对功率模块封装的散热能力要求更高，因此期望芯片散热路径上的封装材料具备更好的散热能力。
最后，SiC器件的高温特性对功率模块封装材料体系有更高温度的要求。学术界研究表明，SiC器件可以在200℃以上稳定运行，而现有针对Si器件的封装材料体系只能保证最高工作到175℃（接近Si器件的理论最高工作温度），还不能发挥SiC器件的高温特性。
一代器件，一代封装。产业界结合具体应用需求，推出了一系列针对SiC器件的商用功率模块。接下来将选取其中的典型代表对其封装主要的技术形式、特点、优势、规格以及应用场景进行介绍。
作为世界上主要的SiC器件供应商，Wolfspeed公司目前在市场上先后主要推出多种封装形式的SiC功率模块，下面逐一进行介绍。1200V/300A的碳化硅半桥功率模块CAS300M12BM2 [7] 的外观和内部结构如图1-35所示。该模块仍沿用标准Si基功率模块的封装结构，但采用了AlN陶瓷覆铜基板，增强了散热效果。该模块整体外观尺寸为62mm×106mm×30mm，主要应用场合包括感应加热、电机驱动、风能太阳能逆变器、轨道牵引、UPS以及SMPS。
图1-35 Wolfspeed CAS300M12BM2
1200V/325A的高性能SiC半桥模块CAS325M12HM2 [8] 的外观和内部结构如图1-36所示。模块采用AlSiC底板和Si 3 N 4 活性金属钎焊（Active Metal Bonding, AMB）基板，极大地提高了模块整体的散热特性和可靠性，因此可降低对散热系统的要求，进而有助于减小整个系统的重量和体积。模块内部每一个开关位置上包含7颗SiC MOSFET和6颗SiC SBD，整体的引出端子采用宽铜端子，同时尽可能压缩模块整体高度至10mm，因此整体回路的寄生电感只有5nH。模块的驱动源极采用开尔文连接，所有的栅极和驱动源极均通过PCB外接，而且每一个SiC MOSFET的栅极上都串联一个小阻值的电阻，从而避免并联芯片的栅极之间出现振荡。该模块的整体外观尺寸为65mm×110mm×10mm，主要应用于电机驱动、高效率变换器及分布式电能系统等。
图1-36 Wolfspeed CAS325M12HM2
1200V/450A的SiC半桥功率模块CAB450M12XM3 [9] 采用的封装形式外观如图1-37所示。该模块内部同样采用Si 3 N 4 AMB基板，以增强散热能力并提升可靠性。外接功率端子将主流母线从上一版模块的两侧调整至就近排布，便于用户在外部采用叠层母排实现连接，总体功率回路的寄生电感6.7nH。同时内部集成了隔离式温度传感器，允许芯片的最高结温达到175℃。此外模块设计了专用的漏极开尔文连接，可以用于直接的管压降测量，用于实现过电流保护。该模块的整体外观尺寸为80mm×53mm×19mm，比上一代模块面积降低近40%，其主要应用场合包括电机驱动、电动汽车快速充电、UPS以及分布式电能系统。
图1-37 Wolfspeed CAB450M12XM3
ROHM公司的1200V/300A SiC半桥功率模块BSM300D12P2E001 [10] ，其外观和内部结构如图1-38所示。该模块沿用标准IGBT功率模块的封装结构，和Wolfspeed将功率端子直接焊接在基板上不同，功率端子与外壳注塑一体成型，可避免应用时端子受力导致焊料的可靠性风险。整体外观尺寸为60mm×152mm×17mm，主要应用于感应加热、电机驱动以及风能太阳能逆变器等场合。
图1-38 ROHM BSM300D12P2E001
Microsemi公司的1200V/700A SiC半桥功率模块MSCMC120AM02CT6LIAG [11] 的外观和内部结构如图1-39所示。该模块可采用AlN陶瓷覆铜基板或Si 3 N 4 AMB基板，有效增强SiC模块的散热性能。同时模块内部集成了直流母排结构，极大减小了回路寄生电感，外接功率端子到芯片构成的功率回路寄生电感小于10nH。该模块的整体外观尺寸为62mm×108mm×15mm，主要应用于电机驱动。
图1-39 Microsemi MSCMC120AM02CT6LIAG
Infineon公司采用自产的新一代CoolSiC TM MOSFET设计了一款1200V/500A的三相桥功率模块 [12,13] ，该模块的外观和内部结构如图1-40所示，该模块采用Infineon公司定义开发的Hybrid PACK TM Drive封装形式，底板直接带有水冷散热结构，比如Pin-Fin结构，在底板和散热结构之间消除了热阻大的热界面导热材料（比如导热硅脂、相变导热材料等），从而极大地减小了模块至冷却液的总热阻，有效提升模块散热性能。同时，模块内部每一个开关位置上包含8颗并联芯片，电路设计采用了一种对称布局设计方法，保证不同并联芯片的导通电流均匀分布。而且直流母线的DC正负功率端子在同侧引出，在内部布局上采用电流方向有去有回的电路设计，将功率回路的寄生电感降低至8nH，提高电气可靠性并减小电磁干扰等问题。该模块包含Pin-Fin散热结构的整体外观尺寸为126.5mm×154.5mm×21.7mm，主要应用于电动汽车的电机驱动。
图1-40 Infineon CoolSiC TM MOSFET HybridPACK TM 模块
Semikron公司开发了一款适用于中等容量电力设备以及兆瓦级光伏逆变器的SiC模块封装结构 [14] 。模块的截面示意图如图1-41所示。该模块采用双层柔性PCB取代传统铝线键合技术，作为芯片电气互连方式以及DC正负母线的出端，整个换流回路在模块水平方向的投影重叠，电流方向相反，实现寄生电感的相互抵消，极大减小了功率回路的寄生电感，总回路电感低至4.5nH，提高了电气可靠性。该模块采用Si 3 N 4 AMB基板，具有良好的导热性能和机械可靠性。同时采用压接的方式实现基板与散热器之间的连接，中间添加热界面导热材料来提高散热性能，从而减小了基板承受的热机械应力，提高了模块的整体可靠性。此外，芯片与顶层柔性PCB以及底层基板之间都通过纳米银烧结技术实现互连，进一步提高模块整体的散热性能和可靠性。
图1-41 Semikron SiC模块
Fuji公司为SiC功率模块开发了一种新的封装结构 [15,16] ，该结构采用功率PCB和铜柱代替键合线技术，实现芯片上表面的电气互连，有效缩减模块整体体积，并降低回路的寄生电感。同时采用纳米银烧结技术将芯片连接至厚铜Si 3 N 4 AMB基板，一方面提高模块的散热性能，另一方面提高了模块的可靠性和耐高温特性。此外，采用高温环氧树脂作为灌封材料，提高了模块机械可靠性，确保模块可以运行在200℃的高温环境下。采用该新型封装结构的1200V/100A全SiC半桥功率模块如图1-42所示，模块的整体尺寸为24mm×62mm×12mm。
图1-42 Fuji 1200V/100A全SiC半桥功率模块 [17]
Danfoss公司开发了适用于SiC功率模块的DCM TM 1000封装技术 [18,19] ，其基本的外观和内部结构如图1-43所示。模块内部采用DBB（Danfoss Bond Buffer）的互连技术，具体而言，首先采用银烧结技术将薄的铜缓冲层与芯片顶层连接，再在铜缓冲层上采用粗铜线键合的方式实现芯片的电气连接。这种互连方式的电流承载能力相较于传统的铝键合线的方式大大提高，同时模块的可靠性和短路能力也得到了提升。在散热设计上，Danfoss推出ShowerPower ® 水冷技术，将弯曲水冷散热流道直接集成在模块底板上，去除了常规的热界面散热材料，降低了模块热阻。弯曲的流道使流过的冷却剂形成湍流，增强了冷却剂与模块发热部位的接触效果，提高了散热性能。Pin-Fin的散热结构，该结构采用并行散热的方式，可以减小温度梯度；同时采用这种散热结构，通过优化设计可以增强对于局部热点的散热效果；该散热结构中流道的金属壁增强了散热器的机械强度，允许散热器承受更大的压力和冲击。模块采用塑封结构，能有效提高机械可靠性。该模块主要应用于电动汽车的电机驱动，该封装平台具有很强的可扩展性和兼容性，其电压等级范围为750～1200V，输出电流范围为350～600A，可满足不同电动汽车中对于逆变器母线电压和功率的要求。
图1-43 Danfoss DCM TM 1000模块 [20]
Delphi采用双面可焊接的650V SiC MOSFET开发了一款双面散热的SiC模块 [21] ，如图1-44所示。该模块中包括5颗并联的SiC MOSFET芯片，构成单个开关，额定电流为750A。芯片的栅极上集成了较大的电阻，避免了在模块中引入外接的栅极电阻，从而有助于减小模块的体积，提高功率密度。模块整体采用双面结构，一方面可以减小功率回路的寄生电感，另一方面可以实现双面散热，提高模块整体的散热能力。该模块主要用于电动汽车的电机牵引逆变器中。
图1-44 Delphi双面结构650V/750A碳化硅模块 [22]
Tesla Model 3的电驱逆变器中采用的SiC功率模块来自ST公司，其内部结构如图1-45所示，包含两颗双面可焊接的并联SiC MOSFET器件，芯片表面采用引线框架替代引线键合技术，实现更高电流输出能力和机械可靠性。芯片采用银烧结技术连接至Si 3 N 4 AMB基板，提高模块散热能力和机械可靠性。功率模块采用塑封结构对功率器件进行保护，能进一步提高机械可靠性。
图1-45 Tesla Model 3 SiC模块
综上，结合SiC器件特性对封装技术的要求，以及系统应用的需求，越来越多功率模块公司，甚至系统和终端公司，都创新性地推出SiC封装结构，在提高SiC器件的散热能力的同时，降低新器件应用带来的电气和机械可靠性风险。随着SiC器件的性能进一步提升和价格走低，越来越多的应用将会采用SiC功率模块方案，由此衍生的系统需求也会更多样，相信未来SiC功率模块封装技术仍有进一步提升的机会和空间。