功率器件的案例
功率器件進階之路
各功率器件功率頻譜（左）&耐壓功率（右）對比圖 （圖片來源：知乎）
第三代功率器件——寬禁帶功率器件
隨著以硅材料為基礎的功率器件逐漸接近其理論極限值，利用寬禁帶半導體材料制造的電力電子器件顯示出比Si和GaAs更優異的特性，給功率半導體產業的發展帶來了新的生機。
2014年，美國奧巴馬政府連同企業一道投資1.4億美元在NCSU成立TheNext Generation Power Electronics Institute，發展新一代寬禁帶電力半導體器件。
相對于Si材料，使用寬禁帶半導體材料制造新一代的功率器件，可以變得更小、更快、更可靠和更高效。這將減少功率器件的質量、體積以及生命周期成本，允許設備在更高的溫度、電壓和頻率下工作，使得功率器件使用更少的能量卻可以實現更高的性能。
展開 技術 | 碳化硅功率器件的三大關鍵技術！
碳化硅功率器件與傳統硅功率器件制作工藝不同，不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導通型單晶襯底上額外生長高質量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。
功率器件行業發展到IGBT(絕緣柵雙極晶體管)時期，硅基器件的性能已經接近極限，邊際成本越來越高。
半導體器件產業仍對高功率、高頻切換、高溫操作、高功率密度等有著越來越多的需求，因此以SiC(碳化硅)、GaN(氮化鎵)等第三代半導體材料為核心的寬禁帶功率器件成為了研究熱點與新發展方向，并逐步進入應用量產階段。
SiC功率器件性能優勢
SiC功率半導體的發展改善了功率開關器件的硬開關特性，耐壓可達數萬伏，耐溫可達500℃以上，其性能優勢如下：
(1)寬禁帶可大幅減小泄漏電流，從而減少高功率器件損耗；
(2)高擊穿場強可提高功率器件耐壓能力與電流密度，減小整體尺寸；
(3)高熱導率可改善耐高溫能力，有助于器件散熱，減小散熱設備體積，提高集成度，增加功率密度；
(4)強抗輻射能力，更適合在外太空等輻照條件下應用。理論上，SiC器件是實現高壓、高溫、高頻、高功率及抗輻射相結合的理想材料，主要應用于大功率場合，可實現模塊及應用系統的小型化、集成化，提高功率密度和系統效率。
展開 功率器件封裝結構熱設計綜述
當前功率器件的設計和發展具有低電感、高散熱和高絕緣能力的屬性特征，器件封裝上呈現出模塊化、多功能化 和體積緊湊化的發展趨勢。為實現封裝器件低電感設計，器件封裝結構更加緊湊，而芯片電壓等級和封裝模塊的功率密度持續提高，給封裝絕緣和器件散熱帶來挑戰。在有限的封 裝空間內，如何把芯片的耗散熱及時高效的釋放到外界環境中以降低芯片結溫及器件內部各封裝材料的工作溫度，已成 為當前功率器件封裝設計階段需要考慮的重要問題之一。本文聚焦于功率器件封裝結構的散熱方面，針對功率半導體器件在散熱路徑方面的結構設計進行歸納總結。通過對國內外 功率器件封裝結構設計的綜述，梳理了功率器件封裝結構設計過程中在散熱方面的考慮及封裝散熱特點，并根據功率器 件散熱特點對功率器件封裝結構類型進行了分類。最后，基于降低封裝結構散熱熱阻、提高器件散熱能力的目的，從高導熱封裝材料和連接工藝、芯片面接觸連接、增加散熱路徑 以及縮短散熱路程四個方面對功率器件封裝結構設計在散熱方面未來的發展趨勢進行了展望。
展開 AEC-Q101 | SiC功率器件高溫反偏
SiC功率器件的概況
SiC（碳化硅）功率器件以其耐高溫、耐高壓、低開關損耗等特性，能有效實現電力電子系統的高效率、小型化、輕量化、高功率密度等要求，受到了新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網等領域的追捧。
在車用領域，SiC功率器件在能量轉換效率上的顯著優勢，能有效增加電動汽車的續航里程和充電效率。另外，SiC器件的導通電阻更低、芯片尺寸更小、工作頻率更高，能夠使電動汽車適應更加復雜的行駛工況。隨著SiC良率的提升、成本的降低，SiC功率器件在新能源汽車上的裝機量會大幅上升，SiC功率器件的車用需求也會迎來跨越式發展。
當前，SiC全球產業布局上，形成美、歐、日三強態勢，但與第一代、第二代半導體材料相比，全球第三代半導體產業均還在發展初期，國內與主流SiC產業差距不大，為國產三代半產業提供了彎道超車、打入半導體元器件高端產業鏈的機會。
國產SiC功率器件面臨的主要問題
目前，SiC產業普遍遇到的問題是良率低、成本高的瓶頸，而對于國產器件，一致性和可靠性也是其市場應用的攔路虎，要獲取市場信任與認可，可靠性驗證是必經之路。驗證SiC功率器件高溫與高壓下的模擬壽命，可采用高溫反偏（HTRB）作為基礎的驗證試驗。
SiC功率器件的高溫反偏試驗
1、高溫反偏試驗的作用
高溫反偏試驗是模擬器件在靜態或穩態工作模式下，以最高反偏電壓或指定反偏電壓進行工作，以研究偏置條件和溫度隨時間對器件的壽命模擬。甚至一些廠商還會將其作為一篩或二篩的核心試驗。
2、高溫反偏的試驗條件
分立器件的高溫反偏主要采用的試驗標準有MIL-STD-750 方法1038、JESD22-A108、GJB 128A-1997 方法1038、AEC-Q101表2 B1項等。
展開 
芯導科技募資加強功率器件與IC研發，抓緊第三代半導體材料發展機遇
據招股書信息顯示，預計芯導科技公開募集資金用于投資發展項目，包括高性能分立功率器件開發和升級、高性能數模混合電源管理芯片開發及產業化、硅基氮化鎵高電子遷移率功率器件開發項目、研發中心建設項目。
芯導科技主營業務為功率半導體的研發與銷售，而功率半導體產品包括功率器件和功率IC兩大類。通過向市場公開募集資金，有利于擴大公司業務規模，增強研發實力，強化核心能力。
增強功率器件和IC的業務競爭力
據芯導科技表示，通過募投高性能分立功率器件開發和升級及高性能數?；旌想娫垂芾硇酒_發及產業化項目，這兩個項目能夠對芯導科技的的主營業務進行進一步補充和提升。
2019年我國功率半導體市場規模約為940.80億元，占全球市場規模35%左右。雖然中國已經成為全球功率半導體產業的重要市場，但是由于中國的功率半導體行業發展起步相對較晚，在技術實力、產品穩定性方面與歐美同行業公司相比，仍然存在較大差距。目前我國對高性能功率器件仍依賴進口。
以功率IC中的電源管理芯片來看，全球電源管理芯片市場仍由國際規模廠商占據主要份額，如德州儀器、安森美、商升特半導體等。由于國內電源管理芯片企業起步較晚、工藝相對落后等因素，目前國內企業在技術和規模上與國際領先企業存在著一定差距。
目前功率半導體的應用范圍已從傳統的工業控制和4C產業(計算機、通信、消費類電子產品和 汽車)擴展到5G通訊、新能源、人工智能、智能電網等新領域，這些都會增加了對功率半導體器件種類多元化和性能提升的需求，同時也需要追求產品的低功耗和高能效比。
隨著5G通信、物聯網、智能家居、汽車電子、工業控制等新興應用領域的發展，功率半導體行業會踏入發展的快車道，包括TVS/ESD保護器件、MOSFET、肖特基等功率器件和功率IC的用量將會大幅度增長。
展開 華為大肆招兵、大舉進攻功率器件意欲何為？
據半導體行業觀察3月21日報道，近日，據知情人士透露，華為正在為公司的功率器件研發大肆招兵，其中包括IGBT、MOSFET、SiC、GaN等主流的功率器件，據說隊伍目前已有數百人。
功率器件是半導體重要一環。尤其是隨著功率半導體器件逐漸往高壓、高頻方向發展，國際大廠已經將產業未來聚焦到了第三代化合物半導體身上?？梢哉f第三代半導體就是未來功率器件的發展方向。
華為最早傳出要做的功率器件是IGBT。IGBT俗稱電力電子裝置的“CPU”，而IGBT是華為UPS電源的核心部件，華為UPS電源在全球數據中心占據第一的市場份額。
據了解，華為也在研發SiC。這兩年車廠陸續開始導入SiC器件。華為不造車，致力于成為面向智能網聯汽車的增量部件供應商。研發IGBT和SiC也是華為做好汽車部件供應商的方向。
在投資領域，華為哈勃去年投資了我國第三代半導體材料碳化硅龍頭企業山東天岳，持股10%。2020年7月，華為還投資了東微半導體。
展開 『分享』功率器件的散熱計算及散熱器選擇
功率器件的散熱計算及散熱器選擇
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目前的電子產品主要采用貼片式封裝器件，但大功率器件及一些功率模塊仍然有不少用穿孔式封 裝，這主要是可方便地安裝在散熱器上，便于散熱。進行大功率器件及功率模塊的散熱計算，其目的是在確定的散熱條件下選擇合適的散熱器，以保證器件或模塊安全、可靠地工作。
散熱計算
任何器件在工作時都有一定的損耗，大部分的損耗變成熱量。小功率器件損耗小，無需散熱裝置。而大功率器件損耗大，若不采取散熱措施，則管芯的溫度可達到或超過允許的結溫，器件將受到損壞。因此必須加散熱裝置，最常用的就是將功率器件安裝在散熱器上，利用散熱器將熱量散到周圍空間，必要時再加上散熱風扇，以一定的風速加強冷卻散熱。在某些大型設備的功率器件上還采用流動冷水冷卻板，它有更好的散熱效果。 散熱計算就是在一定的工作條件下，通過計算來確定合適的散熱措施及散熱器。功率器件安裝在散熱器上。它的主要熱流方向是由管芯傳到器件的底部，經散熱器將熱量散到周圍空間。若沒有風扇以一定風速冷卻，這稱為自然冷卻或自然對流散熱。
熱量在傳遞過程有一定熱阻。由器件管芯傳到器件底部的熱阻為R JC，器件底部與散熱器之間的熱阻為R CS，散熱器將熱量散到周圍空間的熱阻為R SA，總的熱阻R JA=R JC+R CS+R SA。若器件的最大功率損耗為PD，并已知器件允許的結溫為TJ、環境溫度為TA，可以按下式求出允許的總熱阻R JA。
展開 功率器件 | 日本團隊合作開發出高品質第三代100mm氧化鎵外延片
在本次研發中，外延片制造技術得到了改進，將抑制大電流氧化鎵功率器件發展的降低擊穿電壓特性的缺陷減少到上一代產品的十分之一。
據NEDO官網介紹，這一研發成果將能夠使氧化鎵功率器件被廣泛應用于需要100A級功率器件的市場，如電車、工業設備和電動汽車等，并有望在實現碳中和以及節能方面取得重大進展。
圖1 使用第三代β-Ga2O3 100mm外延片制作的肖特基勢壘二極管樣品
最大芯片尺寸10mm×10mm
1.概述
氧化鎵（β-Ga2O3）作為一種能夠以低成本實現低功率損耗的功率器件新材料而備受關注。功率器件在各種電氣設備中被用于控制電壓和電流，如家用電器、汽車、電車和工業設備等。傳統的功率器件一般使用硅制成，但在功率控制過程中產生的功率損失問題一直亟需解決。為降低功率損失，研究人員正在開發由碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）制成的功率器件，但如果使用β-Ga2O3，則可以進一步減少功率損失并降低電氣設備的功耗。此外，由于可以使用比SiC和GaN更快的制造方法，因此預期成本會降低。所以，目前日本及其它國家都在積極推進研發，以期早日實現β-Ga2O3功率器件的商業化。
在這一背景下，Novell Crystal Technology與佐賀大學在NEDO的戰略節能技術創新計劃下，共同啟動了 "β-Ga2O3功率器件 "項目，旨在實現β-Ga2O3功率器件商業化。在本次研究中，通過改進β-Ga2O3外延片的制造技術，研究人員成功地開發出了第三代β-Ga2O3 100mm外延片，器件擊穿電壓特性的缺陷降低至上一代外延片的十分之一，同時完成了300A～500A級的大型氧化鎵肖特基勢壘二極管的原型樣品制作。這將使β-Ga2O3功率器件能夠被廣泛應用于電動汽車等需要100A級功率器件的市場中。
展開 一文搞懂SiC功率器件的市場、應用和制造工藝
報告主題：一文搞懂SiC功率器件的市場、應用和制造
報告作者：Dr. Victor Veliadis
Deputy Executive Director and CTO, PowerAmerica
Professor ECE North Carolina State University, Raleigh, NC USA
報告內容包含：（具體內容詳見下方全部報告內容）
SiC/GaN 性能科普
Si、SiC 或 GaN 的選擇應用差異
汽車電氣化是寬禁帶(WBG功率器件和電子裝置的一大機遇
SiC功率器件的制造
SiC襯底的生長比Si更復雜
SiC外延技術成熟度相對較高
SiC 晶圓占 SiC 器件成本的 50-70%
高壓 (+900 V) SiC 功率器件通常采用縱向配置
SiC 器件的理想阻斷電壓由其漂移層的厚度和摻雜決定
電壓和開關頻率需求推動單極與雙極 SiC 器件的選擇
SiC制造需要投資特定的設備和開發特定的工藝
...
展開 功率半導體器件的機遇與挑戰
而美國半導體巨頭安森美半導體(ON Semiconductor）也將以車載半導體為中心，擴充功率半導體產品。
中國的比亞迪也在日前表示，明年會將其IGBT的產能從現在的5萬片提升到十萬片左右。
順便說一下，IGBT的歷史并不是很久遠。1990年左右進入市場，最初并未成為人們的話題。登場的契機居然是因為用在了豐田的混合動力車--“PRIUS-普銳斯”上，自那以后，開始逐漸推廣用于汽車上。
SiC功率器件以電動車為中心，擴展用途
以IGBT為“主角”功率半導體市場很活躍，SiC功率半導體也相當備受矚目。Band gap（禁帶寬度）比硅（1.12）高3.26，熱傳導率也比硅（1.5）高4.9。在周波特性方面也很突出，在對應高電壓方面也實現了1,200V以上。可以說，對于高電壓、高電流應用方面是最合適的功率器件。
據中村先生說，“羅姆公司在本田的Clarity（一款氫燃料電池電動車）上搭載了SiC功率器件，它是世界首次用Full SiC驅動的燃料電池車，由于具有高溫條件下動作和低損耗特點，可以縮小用于冷卻的散熱片，通過高頻切換也實現了電抗器的小型化。為此，擴大了內部空間，豐田的燃料電池車MIRAI可以坐4個人，本田的Clarity實現了5人座”。
SiC功率器件的目標市場是EV、混合動力車、燃料電池車等電動車。最近也開始用于功率調節器（power conditioner）、工業機器的電源等方面。成本方面相當具有優越性。也開始搭載在鐵道上，JR的新干線N700系列等已經使用，但是只采用了三菱電機公司的Full SiC。富士電機、日立制作所、東芝等公司還沒有實現Full。
德國英飛凌同樣是SiC市場一個重磅玩家。
展開 東京電子 | 推出12吋晶圓功率器件用蝕刻設備
，以下簡稱為TEL）于2021年12月推出了一款用于300mm功率器件的蝕刻設備，名為“Tactras-UDEMAE”。TEL用于功率元器件方向的等離子體反應器（Plasma Reactor）曾在業界獲得了最大交貨量，而此款“Tactras-UDEMAE”設備系統將等離子體反應器的應用范圍兼容至300mm，并將其安裝在 Tactras 平臺上。Tactras是一個高度可靠且高效的平臺，已在 300 mm晶圓工藝中得到驗證。
用于300mm功率器件的蝕刻設備一一Tactras-UDEMAE（圖片出自：電波新聞）
該系統將現有的200mm晶圓中積累的工藝庫（Process Library）靈活運用于300mm晶圓工藝，還配置了可以防止晶圓斜面（Wafer Bevel）區域產生顆粒異物的新功能，這是制造分立功率器件（Discrete Power Device）的關鍵能力。通過有效平衡晶圓溫度、反應器（Reactor）內的壓力、氣體流量、RF（高頻射頻電源）等各種條件，成功在300mm晶圓上獲得了均勻蝕刻效果。
TEL執行董事兼FS BUGM中原哲也表示：“基于車載半導體等通用型半導體的需求增加這一背景，意味著對半導體生產設備的需求也在增長，尤其是對功率器件和其他分立器件。其中，蝕刻技術在功率器件和其他分立器件的制造過程中變得比以往任何時候都重要。擁有豐富交貨實績的Tactras平臺擁有龐大的安裝基礎，在晶圓傳輸速度和占地面積（Foot Print）方面都達到了全球最高水準，通過將該平臺與新開發的用于 300 mm功率器件的等離子體反應器（Plasma Reactor）相結合，TEL成功提供了一種技術解決方案，可顯著提高生產效率”。
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智芯研報 | 碳化硅功率器件發力電動飛機市場
SiC 的禁帶寬度3.23ev，相應的本征溫度可高達800 攝氏度，承受的溫度相對Si 更高；SiC 材料擁有3.7W/cm/K 的熱導率，而硅材料的熱導率僅有1.5W/cm/K，更高的熱導率可以帶來功率密度的顯著提升，同時散熱系統的設計更簡單，或者直接采用自然冷卻。
SiC 能大大降低功率轉換中的開關損耗
SiC 更容易實現模塊的小型化、更耐高溫
碳化硅功率半導體器件相較于硅基功率器件優勢
02
????????????碳化硅功率半導體器件產業鏈
碳化硅功率半導體器件從上個世紀70年代開始研發，經過30年的積累，于2001年開始商用碳化硅SBD器件，之后于2010年開始商用碳化硅MOSFET器件，當前碳化硅IGBT器件還在研發當中。
展開 干貨 | 功率器件的dv/dt和di/dt有多大？
前 言
01
我們都知道功率半導體器件屬于電力電子開關，開關速度非?？?，1秒可以開關上千次（kHz），高速功率器件可達到幾十kHz，甚至上百kHz。開關速度越快意味著器件的電壓變化率dv/dt和電流變化率di/dt也就越大。影響dv/dt和di/dt的主要因素是器件材料，其次是器件的電壓、電流、溫度以及驅動特性。為了加深大家對高速功率半導體器件的理解，今天我們以SiC和GaN為例來聊一下這個話題，看看高速功率器件的dv/dt和di/dt到底有多大？
開關暫態參數定義
02
首先，讓我們先來看一下SiC MOSFET開關暫態的幾個關鍵參數，圖片來源于Cree官網SiC MOS功率模塊的datasheet。
展開 智芯研報 | 碳化硅SiC功率器件在電動汽車中的研究與應用
SiC 材料具有兩倍于Si 的電子飽和速度，使得SiC 器件具有極低的導通電阻(1/100 于Si)，導通損耗低；SiC 材料具有3倍于Si 的禁帶寬度，泄漏電流比Si 器件減少了幾個數量級，從而可以減少功率器件的功率損耗；關斷過程中不存在電流拖尾現象，開關損耗低，可大大提高實際應用的開關頻率(10 倍于Si)。
4）可以減小功率模塊的體積。
由于器件電流密度高(如Infineon 產品可達700A/cm2)，在相同功率等級下，全SiC 功率模塊(SiC MOSFETsSiC SBD)的封裝尺寸顯著小于Si IGBT 功率模塊。
▲三菱電機 Si 和SiC 功率模塊封裝對比
由于開關損耗的降低，SiC 器件能工作于20kHz 以上開關頻率，將夠顯著減小無源器件的體積和成本。
▲三菱電機 11kW Si 和SiC 逆變器體積對比，其中SiC逆變器的功率密度達到10W/cm3
▲典型的電動汽車電源架構
隨著電動汽車以及其他系統的增長，碳化硅（SiC）功率半導體市場正在經歷需求的突然激增。
這便是SiC的用武之地?；诘墸℅aN）的功率半導體也正在出現。GaN和SiC都是寬帶隙技術。硅的帶隙為1.1 eV。相比之下，SiC的帶隙為3.3 eV，GaN的帶隙為3.4 eV。
SiC是一種基于硅和碳的復合半導體材料。在生產流程中，專門的SiC襯底被開發出來，然后在晶圓廠中進行加工，得到基于SiC的功率半導體。
許多基于SiC的功率半導體和競爭技術都是專用晶體管，它們可以在高電壓下開關器件的電流。它們用于電力電子領域，可以實現系統中電力的轉換和控制。
展開 2025大賽優秀作品 | 基于多物理場仿真技術的高速動車用功率器件主端子連接結構設計與評價
作品名稱：基于多物理場仿真技術的高速動車用功率器件主端子連接結構設計與評價
作者： 曾祥浩 | 中車株洲電力機車研究所有限公司 仿真高級工程師
關鍵詞：高速動車 ，IGBT，多物理場仿真，Ansys
作者說
Ansys人機交互友好，界面簡潔，使用邏輯符合仿真一般流程。同時，Ansys包含多個功能模塊，能夠支持機電熱磁多物理場仿真，功能強大，是仿真融入正向研發，指導故障分析的重要幫手。
為了提高高速動車服役環境下功率器件主端子連接結構的服役可靠性，本文通過有限元分析對IGBT器件主端子結構焊層的疲勞可靠性進行研究，并且運用不同的理論預測焊層疲勞壽命并通過功率循環試驗進行了驗證。結果表明，隨著主端子焊層孔洞率的增加，循環周次會降低，但影響并不明顯。隨著主端子焊層厚度逐漸增加，循環周次呈現出先增加后減少的變化規律。在功率循環過程中，主端子結構焊層的退化表現為灰色含Sn相的粗化，采用基于能量的Darveaux模型進行分析更加符合功率器件主端子結構焊層的退化過程。故在主端子結構中，影響其服役壽命的主要因素為焊層厚度。
挑戰/需求
IGBT廣泛應用于軌道交通等高可靠性領域，其封裝熱應力引發的失效多發生在連接部位。本文針對高速動車IGBT真實工況，基于Ansys工具，采用多物理場仿真研究主端子連接結構可靠性，重點分析連接層孔洞與厚度的影響，并通過功率循環試驗驗證結果。
使用工具：Ansys Workbench, Ansys Mechanical
最終成果
基于Ansys 軟件，采用子模型與生死單元技術，對IGBT器件在功率循環工況下進行多物理場仿真，并通過相關理論評價關鍵結構可靠性。
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