技术文章 - 正文
碳化硅功率器件的性能分析与多芯片并联应用研究5 2022-07-05 13:19
参考文献：周伟成，碳化硅功率器件的性能分析与多芯片并联应用研究【D】，浙江大学，2019（转发请注明出处及作者）
ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ是最有潜力的碳化硅电力电子器件，以往的研究表明ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ在开关电路应用中具有优良的性能，比如耐高温、开关速度快、工作频率高等。为了发挥出ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ的高性能，器件的外部电路和系统设计提出更多、更高的需求。
在高温应用中，除ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ外，其周边的其他元器件和封装材料都需具备耐高温特性，特别是在电力电子装置朝高功率密度方向发展的趋势下，系统热设计成为和电设计相同重要的内容，同时也增加系统的设计难度和设计成本。ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ开关速度相对硅功率器件要快很多，高速开关使得ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ的开关损耗降低，但同时也会增加器件应力，高ｄｉ／ｄｔ在功率回路的寄生电感上产生了高压降并叠加到器件两端，在半桥电路应用中高ｄｖ／ｄｔ还会引起串扰现象，使得本应关断的器件可能再次开启，造成开关损耗大大增加甚至导致器件短路，若要安全并高效的利用好ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ，需要对功率回路和驱动回路进行更加优化设计。高频应用，意味着更高的开关损耗，损耗带来器件的温升和整机效率的降低，而减小开关损耗和提高系统散热能力是主要的解决途径。减小开关损耗的方法，一是优化应用电路进一步提高开关速度，二是采用软开关，两者都是提高了设计难度，同时也增加了电路的复杂度。总结上面的ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ高性能带来的问题，答案可能会集中在紧凑的布局设计和良好的导热设计上，而这两点在ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ分立器件中都无法很好的解决，只有模块应用才能得到比较好的综合性能。
此外，目前关于ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ的一个热门应用研究是基于电动汽车电机驱动的应用，电机驱动的输出功率较大，即使小型电动汽车也有几十千瓦的功率等，所以单个ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ是无法达到这样的功率容量要求的，只有多芯片并联的方式才能够满足功率需求。ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ目前依然价格偏高，尽管在大功率应用中可以通过冷却系统的成本降低来减少系统总成本，但在中低功率系统中很难从其他方面（比如散热系统简化、无源器件减小、运行损耗降低等等）来平衡ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ芯片的成本增加，因此从降低系统成本角度出发，对于特定功率容量的模块，芯片数量的优化是一个需要考虑的方面。功率模块是ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ的最重要封装形式，不仅可以较容易实现功率扩容，还便于开关过程中高频回路的优化设计，同时便于提高整机的功率密度，更好的发挥出ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ的性能优势。除此之外，功率模块的散热能力相对于分立器件要高很多，因此非常有利于在电动汽车中电机驱动方面的应用。
电动汽车的电机驱动的电路结构一般有两种。一种是单级结构，电能从蓄电池中出来后经过三相逆变器供给电机，这种结构相对简易，但电机驱动电压受限于蓄电池电压；另一种是两级结构，电能从蓄电池中出来后先经过第一级电路ＤＣ／ＤＣ变换器，将电压升高后再作为第二级电路三相逆变器的输入电压，这种结构能够提高电机驱动电压、减小电机损耗、提高整机效率。本章将以两级结构电机驱动中ＤＣ／ＤＣ变换器（Ｂｏｏｓｔ变换器）为应用平台，并以电动汽车中的电机散热环境（环境温度８０°Ｃ）作为主要温度条件，进行ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ功率模块的电路设计、热设计、和硅ＩＧＢＴ性能对比、并联芯片数量优化等方面的研究。
功率模块的构成
从模块基本框架上来说，功率模块主要由图５．１中几个部分构成，底部基板、陶瓷衬底（ＤＢＣ）、器件、密封胶、导电端子（铜支架）、塑料外壳（没有在图中）。这些部件通过不同的方式紧密而牢固的相互组合在一起，构成功率模块。
按照功率模块的制作工艺步骤，器件、陶瓷衬底和底部基板先连接。陶瓷衬底的两面有薄金属层，上表面金属层通过焊料和器件、导电端子相连，同时上表面金属层还有模块内部电路导线的功能；下表面金属通过焊料和底层基板相连。上述三者连接完成后，半导体器件的正表面通过引线键合、压接等方式和电路连接，图５．１中标出的是引线键合的方式。引线键合之后，模块的电路部分已经完成了连接，再用密封胶覆盖陶瓷衬底正表面，目的是保护器件和绝缘。至此模块内部连接完成，外部用塑料外壳封装，导电端子用外壳过孔中出来作为模块的电气连接端口，导电端子包括了功率端子和信号端子。
功率模块各个构件的材料属性非常重要，本文没有深入研究过各种材料的特性，仅简要介绍几种主流材料以及文中设计功率模块所涉及的材料。
在这些部件中，最主要是器件、陶瓷衬底。器件是模块的核心，陶瓷衬底是器件散热、绝缘以及电回路的衬底基础。器件损耗产生的热，绝大部分通过陶瓷衬底经底部基板耗散出去，同时陶瓷衬底的热阻占了器件结到模块外壳热阻的大部分，陶瓷衬底以及上下表面焊料层也是功率模块可靠性问题的重点。所以陶瓷衬底的选择是功率模块设计中除功率器件本身之外最重要的部分。对于电动汽车应用的功率模块，Ａ１２０３和ＡIＮ是常见的衬底材料，前者是传统硅ＩＧＢＴ功率模块中常用的衬底材料，价格低廉；后者导热性能好，机械强度也较高，而且热膨胀系数（ＣＴＥ）和ＳｉＣ材料的ＣＴＥ（３ｐｐｍ／°Ｃ）更接近，所以导热性和可靠性会更高，但是价格较高。两者的性能对比如表５．１所示。
焊接材料主要用于器件与陶瓷衬底和底部基板与陶瓷衬底两处的连接，考虑到模块工作时的温度分布，本文在两处采用了两种焊锡材料。器件与陶瓷衬底之间温度相对较高，采用的焊锡材料也是熔点较高的锡铜焊料（~２２５°Ｃ），陶瓷衬底与底部基板之间温度较低，采用的焊料是熔点较低的锡铅焊料（１９０°Ｃ）。
半导体芯片正面引线键合所用的键合线有多种材料，常见的有铝（ＡI）、金（Ａｕ）、铜（Ｃｕ），本文中采用了ＡI键合线，由于商业芯片正表面基本为Ａ１层，所以键合线和芯片之间键合程度高。此外，键合线的线径由材料和电流容量决定，根据经验公式
可以得到键合线线径，其中Imax为键合线上最大安全导通电流值，k为材料相关系数，d为线径（英制单位），参看表５．２。比如每个芯片最大导通６０Ａ，每个芯片可以连接三根键合线，那么每根键合线２０Ａ，最大长度超过０．１ｃｍ，那么每根铝线的线径都要大于１２ｍｉｌ。
密封胶的选取要考虑半导体芯片的工作性能，本文采用的ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ芯片最高耐压１２００Ｖ，芯片厚度为０．２ｍｍ，所以密封胶的绝缘强度应该不小于６ｋＶ／ｍｍ，另外芯片最高工作结温１５０°Ｃ，所以密封胶的最高有效温度要大于１５０°Ｃ。最后选择一种硅酮密封胶，固化后有效温度范围－４５￣２００°Ｃ，绝缘强度为１９．７ｋＶ／ｍｍ。
导电端子和底部基板需要金属材料，铜的导热和导电性能都比较好，因此本文在两处都采用了铜。
文章所述之功率模块的基本结构如图５．２所示，主要构成为：芯片为ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ或者碳化硅二极管，衬底陶瓷用０．６２ｍｍ氮化铝（ＤＢＣ工艺），焊料分别为锡铜焊料和锡铅焊料（厚度大约都为〇．２ｍｍ），键合线为铝线（功率线径１２~１５ｍｉｌ，信号线径５ｍｉｌ），密封胶为硅酮电子密封胶。
ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ是最有潜力的碳化硅电力电子器件，以往的研究表明ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ在开关电路应用中具有优良的性能，比如耐高温、开关速度快、工作频率高等。为了发挥出ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ的高性能，器件的外部电路和系统设计提出更多、更高的需求。
在高温应用中，除ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ外，其周边的其他元器件和封装材料都需具备耐高温特性，特别是在电力电子装置朝高功率密度方向发展的趋势下，系统热设计成为和电设计相同重要的内容，同时也增加系统的设计难度和设计成本。ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ开关速度相对硅功率器件要快很多，高速开关使得ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ的开关损耗降低，但同时也会增加器件应力，高ｄｉ／ｄｔ在功率回路的寄生电感上产生了高压降并叠加到器件两端，在半桥电路应用中高ｄｖ／ｄｔ还会引起串扰现象，使得本应关断的器件可能再次开启，造成开关损耗大大增加甚至导致器件短路，若要安全并高效的利用好ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ，需要对功率回路和驱动回路进行更加优化设计。高频应用，意味着更高的开关损耗，损耗带来器件的温升和整机效率的降低，而减小开关损耗和提高系统散热能力是主要的解决途径。减小开关损耗的方法，一是优化应用电路进一步提高开关速度，二是采用软开关，两者都是提高了设计难度，同时也增加了电路的复杂度。总结上面的ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ高性能带来的问题，答案可能会集中在紧凑的布局设计和良好的导热设计上，而这两点在ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ分立器件中都无法很好的解决，只有模块应用才能得到比较好的综合性能。
此外，目前关于ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ的一个热门应用研究是基于电动汽车电机驱动的应用，电机驱动的输出功率较大，即使小型电动汽车也有几十千瓦的功率等，所以单个ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ是无法达到这样的功率容量要求的，只有多芯片并联的方式才能够满足功率需求。ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ目前依然价格偏高，尽管在大功率应用中可以通过冷却系统的成本降低来减少系统总成本，但在中低功率系统中很难从其他方面（比如散热系统简化、无源器件减小、运行损耗降低等等）来平衡ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ芯片的成本增加，因此从降低系统成本角度出发，对于特定功率容量的模块，芯片数量的优化是一个需要考虑的方面。功率模块是ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ的最重要封装形式，不仅可以较容易实现功率扩容，还便于开关过程中高频回路的优化设计，同时便于提高整机的功率密度，更好的发挥出ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ的性能优势。除此之外，功率模块的散热能力相对于分立器件要高很多，因此非常有利于在电动汽车中电机驱动方面的应用。
电动汽车的电机驱动的电路结构一般有两种。一种是单级结构，电能从蓄电池中出来后经过三相逆变器供给电机，这种结构相对简易，但电机驱动电压受限于蓄电池电压；另一种是两级结构，电能从蓄电池中出来后先经过第一级电路ＤＣ／ＤＣ变换器，将电压升高后再作为第二级电路三相逆变器的输入电压，这种结构能够提高电机驱动电压、减小电机损耗、提高整机效率。本章将以两级结构电机驱动中ＤＣ／ＤＣ变换器（Ｂｏｏｓｔ变换器）为应用平台，并以电动汽车中的电机散热环境（环境温度８０°Ｃ）作为主要温度条件，进行ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ功率模块的电路设计、热设计、和硅ＩＧＢＴ性能对比、并联芯片数量优化等方面的研究。
功率模块的构成
从模块基本框架上来说，功率模块主要由图５．１中几个部分构成，底部基板、陶瓷衬底（ＤＢＣ）、器件、密封胶、导电端子（铜支架）、塑料外壳（没有在图中）。这些部件通过不同的方式紧密而牢固的相互组合在一起，构成功率模块。
按照功率模块的制作工艺步骤，器件、陶瓷衬底和底部基板先连接。陶瓷衬底的两面有薄金属层，上表面金属层通过焊料和器件、导电端子相连，同时上表面金属层还有模块内部电路导线的功能；下表面金属通过焊料和底层基板相连。上述三者连接完成后，半导体器件的正表面通过引线键合、压接等方式和电路连接，图５．１中标出的是引线键合的方式。引线键合之后，模块的电路部分已经完成了连接，再用密封胶覆盖陶瓷衬底正表面，目的是保护器件和绝缘。至此模块内部连接完成，外部用塑料外壳封装，导电端子用外壳过孔中出来作为模块的电气连接端口，导电端子包括了功率端子和信号端子。
在这些部件中，最主要是器件、陶瓷衬底。器件是模块的核心，陶瓷衬底是器件散热、绝缘以及电回路的衬底基础。器件损耗产生的热，绝大部分通过陶瓷衬底经底部基板耗散出去，同时陶瓷衬底的热阻占了器件结到模块外壳热阻的大部分，陶瓷衬底以及上下表面焊料层也是功率模块可靠性问题的重点。所以陶瓷衬底的选择是功率模块设计中除功率器件本身之外最重要的部分。对于电动汽车应用的功率模块，Ａ１２０３和ＡIＮ是常见的衬底材料，前者是传统硅ＩＧＢＴ功率模块中常用的衬底材料，价格低廉；后者导热性能好，机械强度也较高，而且热膨胀系数（ＣＴＥ）和ＳｉＣ材料的ＣＴＥ（３ｐｐｍ／°Ｃ）更接近，所以导热性和可靠性会更高，但是价格较高。两者的性能对比如表５．１所示。
焊接材料主要用于器件与陶瓷衬底和底部基板与陶瓷衬底两处的连接，考虑到模块工作时的温度分布，本文在两处采用了两种焊锡材料。器件与陶瓷衬底之间温度相对较高，采用的焊锡材料也是熔点较高的锡铜焊料（~２２５°Ｃ），陶瓷衬底与底部基板之间温度较低，采用的焊料是熔点较低的锡铅焊料（１９０°Ｃ）。
半导体芯片正面引线键合所用的键合线有多种材料，常见的有铝（ＡI）、金（Ａｕ）、铜（Ｃｕ），本文中采用了ＡI键合线，由于商业芯片正表面基本为Ａ１层，所以键合线和芯片之间键合程度高。此外，键合线的线径由材料和电流容量决定，根据经验公式
可以得到键合线线径，其中Imax为键合线上最大安全导通电流值，k为材料相关系数，d为线径（英制单位），参看表５．２。比如每个芯片最大导通６０Ａ，每个芯片可以连接三根键合线，那么每根键合线２０Ａ，最大长度超过０．１ｃｍ，那么每根铝线的线径都要大于１２ｍｉｌ。密封胶的选取要考虑半导体芯片的工作性能，本文采用的ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ芯片最高耐压１２００Ｖ，芯片厚度为０．２ｍｍ，所以密封胶的绝缘强度应该不小于６ｋＶ／ｍｍ，另外芯片最高工作结温１５０°Ｃ，所以密封胶的最高有效温度要大于１５０°Ｃ。最后选择一种硅酮密封胶，固化后有效温度范围－４５￣２００°Ｃ，绝缘强度为１９．７ｋＶ／ｍｍ。
导电端子和底部基板需要金属材料，铜的导热和导电性能都比较好，因此本文在两处都采用了铜。
文章所述之功率模块的基本结构如图５．２所示，主要构成为：芯片为ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ或者碳化硅二极管，衬底陶瓷用０．６２ｍｍ氮化铝（ＤＢＣ工艺），焊料分别为锡铜焊料和锡铅焊料（厚度大约都为〇．２ｍｍ），键合线为铝线（功率线径１２~１５ｍｉｌ，信号线径５ｍｉｌ），密封胶为硅酮电子密封胶。
表５．１ＣＭＦ２０１２０Ｄ双脉冲测试的电路参数
