碳化硅功率芯片的案例
碳化硅功率器件的性能分析與多芯片并聯應用研究--碳化硅MOSFET&功率模塊
比如每個芯片最大導通60A，每個芯片可以連接三根鍵合線，那么每根鍵合線20A，最大長度超過0.1cm，那么每根鋁線的線徑都要大于12mil。
密封膠的選取要考慮半導體芯片的工作性能，本文采用的SiC MOSFET芯片最高耐壓1200V，芯片厚度為0.2mm，所以密封膠的絕緣強度應該不小于6kV/mm，另外芯片最高工作結溫150°Ｃ，所以密封膠的最高有效溫度要大于150°Ｃ。最后選擇一種硅酮密封膠，固化后有效溫度范圍-45－200°Ｃ，絕緣強度為19.7kV/mm。
導電端子和底部基板需要金屬材料，銅的導熱和導電性能都比較好，因此本文在兩處都采用了銅。
文章所述之功率模塊的基本結構如圖5.2所示，主要構成為：芯片為SiC MOSFET或者碳化硅二極管，襯底陶瓷用0.62ｍｍ氮化鋁（DBC工藝），焊料分別為錫銅焊料和錫鉛焊料（厚度大約都為0.2mm），鍵合線為鋁線（功率線徑12～15mil,，信號線徑5mil５），密封膠為硅酮電子密封膠。
展開 當國產氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模塊，中國新能源汽車開啟性能狂飆模式
當國產氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模塊，中國新能源汽車開啟性能狂飆模式模式
一、第3代半導體材料——碳化硅SiC性能優勢明顯
碳化硅SiC是第3代寬禁帶半導體代表材料，具有熱導率高、擊穿電場高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優勢，采用碳化硅SiC制材料制備的第3代半導體器件不僅能在較高溫度下穩定運行，還能以較少的電能消耗，獲得更高效的運行能力。
相比于首代Si硅基半導體，第3代寬禁帶半導體碳化硅SiC具有2倍的極限工作溫度、10倍的擊穿電場強度、3倍的禁帶、超過2倍的飽和電子漂移速率、3倍的熱導率即3倍的冷卻能力。
▲ 1-3各代半導體材料性能對比
碳化硅SiC作為第3代半導體材料性能穩定高效，廣泛應用于電動汽車、充電設備、便攜式電源、儲能設備、通信設備、機械臂、飛行器、太陽能光伏發電、風力發電、高鐵等等眾多高電壓和高頻率工業領域。受益于5G通信、國防軍工、新能源汽車、新能源光伏和風力發電等領域的高速發展，碳化硅二極管、碳化硅MOSFET、碳化硅功率芯片、SiC碳化硅功率模塊等碳化硅功率器件市場規模急速膨脹。
▲當氮化硅基板邂逅碳化硅功率模塊，國產第3代半導體材料助力我國新興工業高速發展
二、AMB工藝氮化硅基板是第3代半導體材料碳化硅功率模塊器件封裝完美之選
目前，半導體電子器件行業廣泛應用的陶瓷基板，通常按照基板材料劃分主要有Al2O3氧化鋁陶瓷基板、AlN氮化鋁陶瓷基板和Si3N4氮化硅陶瓷基板三種。
氧化鋁陶瓷基板優劣勢。氧化鋁基板最常見，通常采用DBC工藝，氧化鋁基板低介電損耗、化學穩定性優良、機械強度較高，其制造工藝成熟、且成本低廉，主要在中低端工業應用領域有較大的市場需求。
展開 投資8000萬；補助2000萬！山西將建2個SiC項目
碳化硅投資熱還在繼續，最近，山西又有2個項目公布：
▲ 碳化硅器件實驗室：啟動資金8000萬元，月產5000片。
▲ 碳化硅晶圓檢測“揭榜掛帥”，政府最高補助2000萬元。
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SiC芯片實驗室：
投資8000萬，月產5000片
據山西省商務廳網站公告，8月10日至13日，第三代半導體SiC實驗室項目與陽城開發區負責人達成合作協議，將建設SiC實驗室等產業基地，總投資175億元。
該項目核心團隊是由半導體技術專家組成，啟動資金8000萬元，建設實驗室等約2000平方米，總占地300畝，形成月產5000片碳化硅功率芯片制造能力。
開展SiC晶圓檢測
政府補助2000萬元
8月13日，山西省太原市發布了“揭榜掛帥”八個項目，其中包括中電科風華信息裝備股份有限公司的碳化硅晶圓檢測項目。
據介紹，風華信息裝備的“碳化硅（SiC）襯底缺陷多模態高分辨檢測技術及設備開發”，擬開發SiC晶圓多模式融合光學檢測系統、高精度掃描微位移平臺、缺陷智能識別分析系統，研制SiC襯底缺陷多模態高分辨檢測設備等關鍵裝備。
據企查查，風華信息成立于1998年12月3日，是一家平板顯示裝備企業，同時具有新型電子元器件、半導體和新能源工藝裝備研制及系統集成能力。
據太原市科技局介紹，這8個“揭榜掛帥”項目總投資近7億元，其中研發投入5億多元。研發經費由企業自籌為主，政府財政資金補助為輔，財政資金按項目研發投入總額的30%、最高2000萬元給予補助。
展開 PPT | 碳化硅功率半導體在中壓配電網中的應用
作為關鍵技術人員參與國家重點研發計劃1項、美國能源部支持項目4項（經費約800萬美元），研制了國際上首臺基于高壓碳化硅的光伏逆變器和異步微網接口變換器、以及用于中壓配電網的大容量多端口電能路由器。作為技術負責人參與的項目獲得美國能源部Power America項目最高評審獎。姬世奇博士與包括GE、Danfoss、Cree等電力電子領域國內外知名企業有良好的合作關系。在頂級期刊及會議發表學術論文50余篇，其中SCI收錄10余篇，獲得IEEE ICEMS、IPEMC等國際會議最佳論文獎，獲得2021年日內瓦國際發明特別金獎。在國際期刊與國際會議中擔任期刊編委、技術委員會委員等職務。姬世奇博士于2010年和2015年獲得清華大學學士和博士學位。
來源：IN-SEMI
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技術 | 碳化硅功率器件的三大關鍵技術！
SiC功率器件的關鍵技術
碳化硅半導體功率器件的制作產業鏈涉及內容總體上分為五大塊，即襯底、外延、器件、封裝、系統應用，且產業鏈涉及較多的環節，如芯片生產制作、功能模塊設計等。相對于傳統的硅基應用技術，碳化硅半導體功率器件生產中在關鍵步驟有著較多的挑戰。
襯底和外延
襯底是功率器件的基礎，由于目前Si基功率器件生產廠商的大部分生產線支持4英寸以上的晶圓，因此4、6英寸及以上SiC襯底技術的成熟是SiC功率器件在所有重要領域大規模應用的前提條件。
SiC的單晶生長最常采用的是物理氣相傳輸法，但SiC-SiO2介面的缺陷密度高，通道電子遷移率底，導致半導體性能與可靠性下降，不能體現出SiC材料的優勢。
隨著技術的發展，通過特殊柵氧化工藝或溝槽結構等方法，已能夠生產出微管密度幾乎為零的4和6英寸晶片，8英寸晶片也正在研制中，但成本較高，目前市場上的產品仍以4英寸單晶襯底為主。
外延材料方面，SiC采用的是同質外延生長技術，設備與生長技術已比較成熟，可生長出超過100~200μm的SiC外延材料，外延生長中亟需解決的是生長缺陷問題。
功率器件
最先實現產業化的SiC二極管中成熟度最高的是SiCSBD，SBD具有PN結肖特基勢壘復合結構，可消除隧穿電流對實現最高阻斷電壓的限制，充分發揮SiC臨界擊穿電場強度高的優勢。
SiC功率模塊分為混合SiC模塊和全SiC功率模塊。
展開 碳化硅功率晶體的設計發展及驅動電壓限制
(a)
(b)
圖8 (a)正極性驅動電壓準位 (b)負極性驅動電壓準位與門極閾值電壓漂移大小關系
為了避免碳化硅功率晶體的門極閾值電壓在長時間的使用之下，產生過高的門極閾值電壓漂移，原則上，必須遵照資料手冊的建議值來使用及確認功率晶體的門極電壓值。如圖9所示，為了不造成碳化硅功率晶體的門極電壓大幅度漂移，針對其驅動電壓的建議值及最大可以接受的電壓峰值，其中，值得注意的是，門極電壓的測量結果應該盡量排除封裝引腳的影響。
圖9 碳化硅功率晶體的驅動電壓限制值
綜上所述，目前碳化硅功率晶體的發展主要在于幾個方向：1.降低單位晶粒面積下的通態電阻；2.提高功率晶體門極可靠度3.在不影響驅動位準的大前提下降低驅動電壓位準。這些設計上的挑戰，都由碳化硅功率晶體的設計者來構思及突破，而主流的碳化硅功率晶體在結構上分為兩大類，平面式及溝槽式的碳化硅功率晶體，平面式的碳化硅功率晶體受限于晶體缺陷及電子遷移速度，大多采用較低的臨界門極電壓，并建議在橋式電路中采用負電壓截止驅動電路 ，用以減少在橋式電路中功率晶體交互驅動時可能產生的可能的誤導通；反之溝槽式的碳化硅功率晶體，采用具有較高電子遷移速度的晶體平面做為通道，可以設計較高的臨界門極電壓，并且不需要任何的負電壓截止驅動電路。對于碳化硅功率晶體的用戶而言，驅動電路設計相對簡單，只需要提高驅動電壓到合適的電壓值，就能夠享受碳化硅功率晶體帶來的優點。
展開 [科普]新一代碳化硅材料汽車功率半導體
最近汽車半導體非常火熱，很多朋友特別感興趣新一代碳化硅材料汽車功率半導體。今天就和小星一起來聊一下碳化硅材料在汽車功率半導體和電動汽車當中的應用吧。
↑汽車功率半導體晶圓
什么是半導體
所謂半導體其實就是大家身邊電子設備里的集成電路芯片。那么說到芯片就要說一下它的基礎材料（襯底材料）。我們目前身邊最常看到的芯片，不管是手機處理器，還是電腦里的CPU。其使用的基礎材料都是硅Si。那么為什么要使用硅作為最常見半導體的基礎材料呢？
首先硅元素在地球上的儲量是非常大的，僅次于氧元素。其實說白了就是這些芯片都源自沙子（二氧化硅SiO2）。并且硅元素和大部分硅的穩定化合物都是無毒的。這樣對應硅的半導體工藝可以獲得更大的產量和良品率。同時生產過程中對人員和環境的保護也比較容易實現。
↑汽車功率半導體
另一非常重要的因素，硅的氧化物二氧化硅非常非常的穩定。二氧化硅可以很容易的在硅的基礎上通過半導體工藝氧化得到。這時候得到的不再是沙子，而是類似玻璃的均勻隔離層。既有良好的絕緣特性又可以很好的控制其尺寸和厚度。
那么為什么要重點控制其尺寸和厚度呢？因為二氧化硅材料就是用來制作大規模集成電路中基礎單元開關管MOSFET柵極的材料。平常芯片工藝說的是28nm或者22nm，這個非常非常小的納米級尺寸就是特征線寬。特征線寬的一個非常重要表征就是柵寬（柵極寬度）。
↑電動汽車水冷電機逆變器
電動汽車的功率電子
電動汽車中需要使用大量的功率電子器件。據豐田汽車統計，功率電子器件用量在電動汽車中占到所有半導體器件的25%。電動汽車上就有很多非常粗的橙色功率電纜，用鮮亮的顏色提醒需要謹防高壓。另一個是功率等級高了近50倍。這么高的功率等級使得功率控制器必須采用水冷冷卻才能正常工作。水冷的電機逆變器為了在內部流出水道體積非常大。
展開 湖南又增碳化硅項目
今年6月23日，
三安
湖南碳化硅生產基地正式點亮投產，該項目總投資高達
160億
元，是全國首條、全球第三條碳化硅垂直整合產業鏈，其中碳化硅晶圓的年產能達到
36萬片
（
.點這里.
）。
今年7月22日，泰科天潤官網宣布，6英寸SiC生產線已通線，綜合良率90%以上。該項目總投資7億元，滿產后可實現6萬片/年的6英寸碳化硅功率芯片。
此外，1月19日，華實半導體新材料項目也落戶湖南瀏陽經開區，其經營范圍包括生產碳化硅襯底相關半導體材料等。
還有，湖南頂立科技有限公司目前主研發了第三代半導體材料SiC單晶生長用關鍵原料——超純C粉的生產設備，掌握了將5N及以下的C粉提純到6N及以上的技術，其碳含量達到99.9999wt%。
展開 資訊 | 總投資175億的碳化硅項目或將落地山西
啟動資金8000萬元，建設實驗室、測試中心、長晶房、辦公區等約2000平方米，形成月產5000片碳化硅功率芯片制造能力。項目核心團隊是由著名半導體技術專家組成，掌握250多個專利，覆蓋原材料制造、芯片制造、IC設計、SiP封裝等領域，處于全球領先技術水平。
至于該項目的投資方及其他具體細節，文章中則并未提及。
碳化硅是全球最先進的第三代半導體材料，具有耐高壓、高頻、大功率等優良的物理特性，是衛星通信、高壓輸變電、軌道交通、電動汽車、通信基站等重要領域的核心材料，尤其是在航天、軍工、核能等極端環境應用領域里有著不可替代的優勢。
“十三五”以來，山西省第三代半導體材料產業不斷發展壯大，山西省省工信廳新材料工業處處長閆林此前介紹，山西在第三代半導體碳化硅單晶襯底材料處于國際領先水平，2020年銷售3萬余片，國內市場占有率達50%以上。
據悉，山西省擁有國內最大的碳化硅材料供應基地——中國電科（山西）碳化硅材料產業基地。一期項目于2020年正式量產，一期項目達產后，將形成年產18萬片N型碳化硅單晶晶片、5萬片高純半絕緣型碳化硅單晶晶片的產能。不僅實現了高純度碳化硅單晶的商業化量產，高純碳化硅粉料純度和晶體良品率亦居于國際先進水平。
展開 REASUNOS瑞森半導體碳化硅二極管在大功率電源上的應用
四、碳化硅二極管產品優勢
瑞森半導體-碳化硅二極管(SiC SBD)產品優勢：
1、極小的反向恢復電流，降低開關損耗；
2、低VF值，高浪涌電流能量；
3、更高頻率的運行，能讓被動元器件做得更小；
4、具有很高的抗輻射能力；
5、軍工民用考核標準：GJB 7400-2011，器件參數一致性好。
五、推薦選型表
大功率電源PFC線路上主推碳化硅二極管(SiC SBD)
推薦如下產品選型表：
智芯研報 | 碳化硅SiC功率器件在電動汽車中的研究與應用
隨著電動汽車的發展，對電力電子功率驅動系統提出了更高的要求，即更輕、更緊湊、更高效、更可靠。
常用的半導體材料，尤其是各種電子產品中的處理器、存儲器等芯片，通常都是基于硅晶體(單晶硅或多晶硅)制造出來的。而實際上還有一類半導體是基于化合物晶體制造的，SiC(碳化硅)半導體就是其中之一。
由于相比硅基半導體在材料特性上有所差異，SiC(碳化硅)半導體具備比硅基半導體更好的高頻、大功率、高輻射性能。
什么是SiC?
碳化硅又稱金鋼砂或耐火砂。
碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生產綠色碳化硅時需要加食鹽)等原料在電阻爐內經高溫冶煉而成。
目前我國工業生產的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，比重為3.20～3.25，顯微硬度為2840～3320kg/mm2。
黑碳化硅是以石英砂,石油焦和優質硅石為主要原料,通過電阻爐高溫冶煉而成。其硬度介于剛玉和金剛石之間,機械強度高于剛玉,性脆而鋒利。
綠碳化硅是以石油焦和優質硅石為主要原料,添加食鹽作為添加劑，通過電阻爐高溫冶煉而成。其硬度介于剛玉和金剛石之間,機械強度高于剛玉。
碳化硅(SiC)由于其獨特的物理及電子特性, 在一些應用上成為最佳的半導體材料: 短波長光電器件, 高溫, 抗幅射以及高頻大功率器件，其主要特性及與硅(Si)和砷化鎵(GaAs)的對比如下。
展開 
智芯研報 | 碳化硅功率器件發力電動飛機市場
SiC 材料開關損耗極低，全SiC 功率模塊的開關損耗大大低于同等IGBT模塊的開關損耗，而且開關頻率越高，與IGBT模塊之間的損耗差越大，這就意味著對于IGBT 模塊不擅長的高速開關工作，全SiC 功率模塊不僅可以大幅降低損耗還可以實現高速開關。
低阻值使得更易實現小型化。
SiC 材料具備更低的通態電阻，阻值相同的情況下可以縮小芯片的面積，SiC 功率模塊的尺寸可達到僅為Si 的1/10 左右。
更耐高溫。
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。
展開 功率半導體組件的主流爭霸戰 —— 硅、碳化硅、氮化鎵的三角習題
功率半導體組件與電源、電力控制應用有關，特點是功率大、速度快，有助提高能源轉換效率，多年來，功率半導體以硅（Si）為基礎的芯片設計架構成為主流，碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等第三類半導體材料出現，讓功率半導體組件的應用更為多元，效率更高。
MOSFET與IGBT雙主流各有痛點
高功率組件應用研發聯盟秘書長林若蓁博士（現職為臺灣經濟研究院研究一所副所長）指出，功率半導體組件是電源及電力控制應用的核心，具有降低導通電阻、提升電力轉換效率等功用，其中又以MOSFET（金屬氧化半導體場效晶體管）與IGBT（絕緣閘雙極晶體管）的應用范圍最為重要，兩者各有優勢及不足。
MOSFET扮演電源電子控制的角色，依導電特性與通道差異，又可分為NMOS（N-type MOS）、PMOS（P-type MOS）、CMOS（Complementary MOS），在大功率半導體領域中，各種結構的MOSFET發揮不同作用。IGBT組件為復合式構造，輸入端為MOSFET構造，輸出端為BIPOLAR構造，具備低飽和電壓、快速切換等特性，但切換速度遜于MOSFET。
傳統以硅（Si）材料為基底的IGBT主要特性為耐高壓、高電流，多應用于大功率、大電流的電力設備或電力基礎設施，如鐵路電網、風力發電機等，缺點是比較無法縮裝；MOSFET的特性為驅動電流小，多應用于變頻導向的3C設備或消費性3C產品，如手機充電器、小家電產品的變壓器等，缺點是無法承受過大的電壓、電流。
在技術發展及應用上，MOSFET與IGBT各有痛點待克服。
展開 入局碳化硅，蔚來將建SiC功率模塊實驗線？
據公示消息，蔚然動力項目分為8個內容，其中包括新增碳化硅實驗室，將自研一條碳化硅功率模塊工藝實驗線，新增若干測試設備。
據了解，碳化硅材料可使系統效率更高、重量更輕，且結構更緊湊。在電動汽車中，碳化硅可應用于驅動和控制電機的逆變器、車載充電器、快速充電樁等系統。目前，不少電動車制造商均開始快速導入碳化硅技術。
電動車制造商入局碳化硅，不僅可以保證自己掌握核心的技術壁壘，形成更好的用戶體驗，也能加強供應鏈的穩定。
值得注意的是，今年6月，蔚來首臺碳化硅電驅系統C樣件（批量樣件，用于工藝和生產試驗驗證）下線。作為蔚來第二代電驅動平臺的產品，該電驅系統更加高效、緊湊、輕量化，是當前電動車制造領域的先進技術。
據悉，該SiC電驅系統將搭載在ET7上，為車輛提供更長的續航里程。蔚來ET7于今年1月全球首發，5月正式下線。車輛定位為純電動中大型轎車，配備容量為70kWh、100kWh和150kWh三種電池包，NEDC工況下續航里程分別超過500km、700km和1000km。
來源：化合物半導體市場
展開 智芯文庫 | 碳化硅功率器件界面遷移率降低機制獲得重要進展
研究背景
SiC是重要的寬禁帶半導體材料，在功率半導體器件中有重要的應用。
然而，由于導帶邊緣附近的大量界面態，其器件場效應遷移率僅為~30 cm2/V·s，比其體材料遷移率低約2個數量級，這極大地限制了SiC器件的性能。SiC / SiO2界面態密度比經典的Si/SiO2界面態密度高2倍以上。
這些缺陷的化學特性尚未完全達成共識。
SiC/SiO2界面缺陷態可能的起源較多：例如，SiC的本征缺陷（如C = C），界面附近或SiO2中的過量C-cluster，或SiO2體相陷阱（例如O空位）。其中界面C-cluster是一個重要可能原因，而且有相關實驗觀測到大量C-cluster存在。因此，詳細的原子模型解釋如何產生如此大量碳原子的存在將是有價值的。
圖文解讀
圖1.（a）Ⅳ族元素單質的內聚能及其氧化物的形成熱。（b）SiC體相中和界面處的μC穩定性窗口。對于界面區域，μC處于動態平衡之下或處于靜態平衡之下。請注意，與實際的動態平衡條件相比，界面處的靜態平衡錯誤地提供了非常正的C-rich極限。
正確地討論界面區域化學勢是正確討論缺陷形成能的基礎。圖1（a）顯示IV族元素單質的內聚能從Sn到金剛石均勻增加，但是它們的氧化物的?H在CO或CO2出現異常低值。
氧化物的這種差異導致SiC的Si組分優先氧化，從而將界面O化學勢降低至μO= -5.07 eV（SiO2的?H）。
在這種“靜態平衡”下，該μO值會使C組分保持未氧化狀態，μC 被限制為-1.98 eV <μC <+3.75eV, 圖1b。
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