目前，碳化硅（SiC）這種半導體材料因其在電力電子應用中的出色表現引起了廣泛的關(guān)注。對晶圓和器件的研究在近年來(lái)已經(jīng)取得很大進(jìn)展。如今，各供應商已可批量生產(chǎn)電壓等級高達1.2 kV的二極管和晶體管，部分技術(shù)改進(jìn)正在進(jìn)行當中。目前還沒(méi)有大型的高壓碳化硅器件，但預計未來(lái)將會(huì )很快推出。雖然大家都在為碳化硅器件帶來(lái)的機遇而激動(dòng)，但這些器件在裝配、互聯(lián)和封裝技術(shù)上還面臨著(zhù)一些新的難題。創(chuàng )新的封裝方案不可或缺！

作者：羅杰斯公司電力電子解決方案事業(yè)部

碳化硅器件的優(yōu)點(diǎn)是什么？

碳化硅是一種寬禁帶（WBG）半導體材料。禁帶通常是指價(jià)帶和導帶之間的電子伏（eV）能差。價(jià)電子和原子結合形成傳導電子需要這種能量，而這種傳導電子可在晶格中自由移動(dòng)，并可作為電荷載子導電。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(zhù)，在相同的閉塞電壓下，碳化硅器件的漂移區域間隔可以減少至硅器件的十分之一。此外，就漂移區域的摻雜濃度而言，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通電阻都是漂移區電阻。因此，在相同的閉塞電壓下，碳化硅器件的導通電阻（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(kāi)關(guān)頻率下工作。

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

對市場(chǎng)和應用的影響

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

  高溫穩定性意味著(zhù)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)出現的溫峰（取決于任務(wù)要求）。此外，更高的開(kāi)關(guān)頻率能夠減少產(chǎn)品的大小和重量，因為笨重的磁性組件被換成外形更小的元件。最后，更快的開(kāi)關(guān)時(shí)間和更低的導通電阻能夠減少開(kāi)關(guān)和傳導損耗，進(jìn)而提高系統效率。

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

封裝是一個(gè)限制因素

  有了碳化硅器件后，應用不僅能夠實(shí)現顯著(zhù)的效率改進(jìn)，而且能夠降低體積和重量。前提是，將該器件整合入應用的過(guò)程并不會(huì )抵消這些優(yōu)點(diǎn)。因此，作為步，封裝方面需要特別注意。

  前面說(shuō)過(guò)，每塊芯片的開(kāi)關(guān)和傳導損耗將會(huì )極大地減少，而芯片面積也會(huì )繼續縮小。最后，功率損耗的密度將會(huì )增加，從而必須仔細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溫下工作，而溫升還會(huì )增加。因此，對于高溫穩定性、冷卻和可靠性的要求將會(huì )更加嚴苛，必須根據情況選擇模塊外殼、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(mǎn)足高工作溫度的要求。互聯(lián)器件的新技術(shù)將代替傳統笨重的鋁線(xiàn)。現在，在氮化硅活性金屬釬焊（Si3N4 AMB）基板上銀燒結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?xún)?yōu)化熱容、熱擴散以及從芯片到冷卻劑散熱距離。

  除上述挑戰外，碳化硅快切器件還可能出現一些電氣方面的問(wèn)題。在斷開(kāi)閉鎖模式這一極短的開(kāi)關(guān)時(shí)間中，電壓的下降會(huì )產(chǎn)生電流斜率，進(jìn)而導致明顯的過(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稱(chēng)的電流路徑是在設計電源模塊、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)。當開(kāi)關(guān)速度極快時(shí)，這一耦合就成為了系統的關(guān)鍵，因為其會(huì )產(chǎn)生極高的電磁干擾。同樣地，電源模塊的巧妙設計能夠盡量減少這一影響。

  最后，成本或將成為碳化硅器件推廣面臨的更大挑戰。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 )影響系統成本，我們必須盡可能地在滿(mǎn)足要求的情況下，減少所用的器件數量。因此，需要熱管理解決方案在縮小芯片面積的同時(shí)，更大化緊湊輕巧封裝的輸出功率。

  碳化硅器件將改變整個(gè)局面——其封裝需要全新的材料、全新的連接技術(shù)和全新的組件。創(chuàng )新是克服障礙的關(guān)鍵。作為金屬化陶瓷基板和冷卻方案的制造商，羅杰斯電力電子解決方案事業(yè)部將以開(kāi)發(fā)伙伴的身份為你提供幫助。歡迎關(guān)注我們的微信公眾號：羅杰斯電力電子解決方案。

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