SiC功率模塊
關(guān)注創(chuàng)建者：yanhui5128 創(chuàng)建時間：2023-03-15
SiC功率模塊的視頻教程
特斯拉Tesla Model 3電控系統(tǒng)介紹，電池/三相逆變、電機、IGBT與碳化硅MOS驅(qū)動系
Model 3電機控制器是第一款采用全SiC功率模塊的電機控制器，據(jù)一些國外的土豪拆解分析，SiC功率器件采用的是ST公司的GK026，驅(qū)動芯片采用的是ST的STGAP1AS，母線電壓采樣ACPL-C87(A)BT
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SiC功率模塊的實例教程
▲全球汽車廠商部分車型逆變器技術(shù)碳化硅SiC功率模塊量產(chǎn)時間
現(xiàn)如今，隨著新能源電動汽車爆發(fā)式增長，氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊，對提升新能源汽車加速度、續(xù)航里程、輕量化、充電速度、電池成本5項性能尤為重要。全球眾多汽車廠商在新出的新能源電動汽車車型上，大都采用了或者準備采用氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊。據(jù)業(yè)內(nèi)機構(gòu)估計，隨著眾多基于800V高壓平臺架構(gòu)的新能源汽車將進入量產(chǎn)階段，到2030年將有超過65%的新能源電動汽車電子功率器件領(lǐng)域采用Si3N4-AMB氮化硅陶瓷覆銅基板工藝升級的SiC功率模塊技術(shù)。
1、氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊提升新能源電動汽車加速度性能
曾幾何時，談起新款剛上市新能源電動汽車的重要性能，起步百公里加速時間是一項必談重要性能參數(shù)。新能源電動汽車加速性能與動力系統(tǒng)輸出的最大功率和最大扭矩密切相關(guān)，氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊技術(shù)允許驅(qū)動電機在低轉(zhuǎn)速時承受更大輸入功率，而且不怕因為電流過大所導(dǎo)致的熱效應(yīng)和功率損耗，這就意味著新能源電動汽車起步時，驅(qū)動電機可以輸出更大扭矩，提升加速度，強化加速性能。
2、氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊增加新能源電動汽車續(xù)航里程
續(xù)航里程，續(xù)航里程，還是續(xù)航里程。續(xù)航里程是目前新能源電動汽車的首要痛點。氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊通過導(dǎo)通與開關(guān)兩個維度降低電能損耗，減少電能耗損失，提升效率，從而實現(xiàn)增加新能源電動汽車續(xù)航里程的目的。
3、氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊縮短新能源電動汽車充電時間
充電時間長短是評價一輛新能源電動汽車性能的重要參數(shù)，氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊，可在800V的高壓平臺上搭配350kW超級充電樁，以提升充電速度，縮短充電時長。
展開 美國GE公司的全球研究中心設(shè)計了一種疊層母線結(jié)構(gòu)，構(gòu)造與模塊重疊并聯(lián)的傳導(dǎo)路徑，使回路電感降至4.5 nH。德國賽米控公司采用納米銀燒結(jié)和SKiN布線技術(shù)，研發(fā)出SiC功率模塊的高溫、低感封裝方法。德國英飛凌公司采用壓接連接技術(shù)，研制出高壓SiC功率模塊。德國Fraunholfer研究所采用3D集成技術(shù)研制出高溫（200 ℃）、低感（≤1 nH） SiC功率模塊。瑞士ABB公司采用3D封裝布局，研制出大功率低感SiC功率模塊。瑞士ETH采用緊湊化設(shè)計，優(yōu)化功率回路，研制出寄生電感≤1 nH的低電感SiC功率模塊［
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］。日本尼桑公司基于雙層直接敷銅板（direct bonded copper， DBC）封裝，研制出低感SiC功率模塊，應(yīng)用于車用電機控制器。
上述碳化硅的優(yōu)良特性，只有通過模塊封裝布局的可靠性設(shè)計、封裝材料的選型、參數(shù)的優(yōu)化、信號的高效和封裝工藝的改善，才能得以充分發(fā)揮。
本文提出的解決方案討論
本文中重點聚焦典型封裝結(jié)構(gòu)下，低雜散參數(shù)、雙面散熱模塊下緩沖層的影響和功率模塊失效機理等關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容的梳理總結(jié)，最后展望了未來加壓燒結(jié)封裝技術(shù)和材料的發(fā)展。
1 模塊封裝形式
隨著新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對第3代寬禁帶功率半導(dǎo)體碳化硅材料和芯片的應(yīng)用需求，國內(nèi)外模塊封裝技術(shù)也得到迅速發(fā)展，追求低雜散參數(shù)、小尺寸的封裝技術(shù)成為封裝的密切關(guān)注點，國內(nèi)外科研團隊和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)設(shè)計了結(jié)構(gòu)各異的高性能功率模塊，提升了SiC基控制器的性能。
（1） 傳統(tǒng)封裝：Wolfspeed、Rohm和Semikron等制造商大多延用傳統(tǒng)Si基封裝方式，功率等級較低，含有金屬鍵合線，雜散電感較大。
展開 3、當?shù)杼沾苫邋忮颂蓟?em>功率模塊，新能源電動汽車縮短充電時間
充電時間長短是評價一輛新能源電動汽車性能體驗感的重要參數(shù)，當?shù)杼沾苫邋忮颂蓟?em>功率模塊，氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊高擊穿電場強度特性，有助于提高碳化硅器件的功率范圍，降低通電電阻，可在800V及以上的高壓平臺上搭配350kW以上超級充電樁，以提升充電速度，縮短充電時長。
4、當?shù)杼沾苫邋忮颂蓟?em>功率模塊，有助于新能源電動汽車輕量化
當?shù)杼沾苫邋忮颂蓟?em>功率模塊，氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊增強電氣和機械性能以及可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)高頻開關(guān)，減少濾波器，變壓器、電容、電感等無源器件的使用，從而減少系統(tǒng)體系和重量，相同功率等級下實現(xiàn)封裝體積尺寸更小。同時，氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊且具有良好的熱導(dǎo)率，可以使器件模塊工作于較高的環(huán)境溫度中，從而減少散熱器體積和重量。SiC可以降低開關(guān)與導(dǎo)通損耗，使系統(tǒng)效率提升，同樣續(xù)航范圍內(nèi)，可以減少電池容量，有助于車輛輕量化。
5、當?shù)杼沾苫邋忮颂蓟?em>功率模塊，新能源電動汽車降低電池成本
充電功率相同的情況下，當?shù)杼沾苫邋忮颂蓟?em>功率模塊，氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊實現(xiàn)新能源電動汽車在800V高壓快充架構(gòu)下的高壓線束直徑更小，相應(yīng)成本更低；氮化硅陶瓷基板升級SiC碳化硅功率模塊高熱導(dǎo)率實現(xiàn)新能源電動汽車電池散熱的更少，相對降低電池熱管理難度，進一步降低電池整體成本。
展開 目前來看我覺得還是有機會的，雖說碳化硅基器件仍不便宜，但是被動元件的節(jié)省以及散熱壓力的減小是的碳化硅基的功率模塊已然能做到接近兩毛五一瓦的價格，而且是在當前終端市場很不成熟的條件下做到的，SiC外延片的尺寸的突破以及位錯密度的持續(xù)降低，將會促進成本的進一步降低。
運載工具（車船飛機等）上的功率轉(zhuǎn)換模塊的輕量化要求將會為碳化硅基功率模塊提供機會，只不過可靠性的驗證需要時間，且部分領(lǐng)域需要相當?shù)臅r間，而且無法跳過。對于從業(yè)者來說，我覺得乘著終端市場仍未起來前做積累并在博士期間多做些企業(yè)項目是很有價值的。
來源：廈門網(wǎng)
展開 相比Si基器件，使用SiC器件的EV逆變器可以小5倍、輕3倍，功耗降低50%。
例如，ROHM Semiconductor開發(fā)的BSM300D12P2E001半橋SiC功率模塊，將SiC MOSFET與SiC SBD集成封裝，最大限度地降低了先前由IGBT尾電流和FRD恢復(fù)損耗引起的開關(guān)損耗（圖2）。
圖2：與IGBT模塊相比，集成SiC MOSFET和SBD的全SiC功率模塊損耗更低，即使高速開關(guān)操作亦是如此。（圖片來源：ROHM Semiconductor）
與IGBT相比，ROHM Semiconductor的SiC基MOSFET損耗明顯降低了73%。該公司推出的MOSFET系列耐壓高達1700V，導(dǎo)通電阻范圍為45m?至1150m?，采用TO-247N、TO-3PFM、TO-268-L和TO-220封裝。
此外，ROHM推出的SiC肖特基勢壘二極管通過了AEC-Q101汽車級標準鑒定。該器件恢復(fù)時間短、開關(guān)速度快、溫度依賴性小、正向電壓低，可耐壓650V，電流范圍為6至20A。
SiC器件在EV應(yīng)用中發(fā)揮的作用
作為首家主逆變器集成全SiC功率模塊的電動汽車制造商，特斯拉 (Tesla) 在特斯拉3型轎車中采用了這項技術(shù)。S型和X型等此前特斯拉車型，均采用TO-247封裝的IGBT。特斯拉與STMicroelectronics合作，將SiC功率模塊組裝在逆變器的散熱器上。
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SiC功率模塊的最新內(nèi)容
在Ansys Icepak中運行熱機械仿真，有助于ST快速準確地評估其SiC功率模塊設(shè)計在這些環(huán)境條件下的行為和完整性，并識別潛在的過早失效情況。工程師可以在虛擬環(huán)境中評估設(shè)備內(nèi)的熱量分布，然后識別并解決可能給系統(tǒng)造成應(yīng)力并導(dǎo)致過熱或失效的任何臨界點。
如何在開發(fā)過程中實現(xiàn)冷卻折衷方案
將功率損耗降至最低固然重要，但大電流產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致功率半導(dǎo)體模塊失效，尤其是在高溫環(huán)境中。
由onsemi和Ansys共同開發(fā)的基于Web的自動化MFIT流程，不僅可加速基于SiC的功率模塊設(shè)計電熱建模，同時還提高了其準確性。
? SiC功率模塊：800V標配，開關(guān)損耗降低 60%，逆變器效率提升 2%~3%。 從成本上看，SiC晶圓價格已從 2023 年的 0.2 美元/A降至 0. 12 美元/A ，預(yù)計 2026 年接近硅基IGBT 2 倍價差。
? 智能溫控：油冷+扁線組合成為主流， 電機繞組熱點溫度降低 18℃；數(shù)字孿生算法實時監(jiān)控溫度、振動、絕緣，預(yù)測性維護周期由 1 萬公里延長 至 4 萬公里。
瑞森半導(dǎo)體（REASUNOS）推出應(yīng)用在5W-18W LED電源上的LED驅(qū)動模塊RSC6218A。
LED驅(qū)動模塊RSC6218A小功率、小體積、高效率，應(yīng)用在5W-18W LED電源上
LED驅(qū)動模塊RSC6218A是一款LLC 諧振拓撲功率模塊，帶有半橋驅(qū)動的控制電路和功率轉(zhuǎn)化器件，適用于 LED 恒流控制線路，電路工作頻率可達200KHz。采用絕緣體上硅SOI及BCD
來源：阿基米德半導(dǎo)體
IGBT全稱為絕緣柵雙極型晶體管，特點是可以使用電壓控制、耐壓高、飽和壓降小、切換速度快、節(jié)能等。功率模塊是電動汽車逆變器的核心部件，其封裝技術(shù)對系統(tǒng)性能和可靠性有著至關(guān)重要的影響。
傳統(tǒng)的單面冷卻功率模塊一直是汽車應(yīng)用中最常見的封裝結(jié)構(gòu)之一。傳統(tǒng)的IGBT功率模塊主要由IGBT芯片，氧化鋁覆銅陶瓷基板
（1）行業(yè)概況
1）產(chǎn)品概述
良好的熱管理對于功率模塊穩(wěn)定性和可靠性尤為重要，相較于其他應(yīng)用領(lǐng)域，新能源汽車電機控制器用功率半導(dǎo)體模塊面臨著更為復(fù)雜的使用環(huán)境和特殊的應(yīng)用工況：一是車載工況功率等級高、循環(huán)波動極其復(fù)雜，功率模塊溫度快速變化，經(jīng)常處于“極熱”或“極冷”狀態(tài)，消費級半導(dǎo)體溫度可承受區(qū)間一般為-20℃—70℃，而車規(guī)級半導(dǎo)體一般要求溫度可承受區(qū)間達到
來源 | 無機材料學(xué)報
作者 | 付師1,2，楊增朝1，李江濤1,2
單位 | 1.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 低溫重點實驗室; 2. 中國科學(xué)院大學(xué)材料與光電研究中心
摘要：隨著以 SiC 和 GaN 為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體的崛起， 電力電子器件向高輸出功率和高功率密度的方向快速發(fā)展， 對用于功率模塊封裝的陶瓷基板材料提出更高的性能要求
由于各種材料的限制，硅基功率器件在許多方面已經(jīng)達到其材料的理論極限，目前所存在的功率模塊封裝技術(shù)大部分都是 為硅基功率模塊設(shè)計，將其直接應(yīng)用于 SiC 功率模塊，會出現(xiàn)使用頻率、散熱、可靠性等多方面帶來的新挑戰(zhàn)。
德匯電子致力于高性能電子陶瓷及其相關(guān)電子元器件的開發(fā)、生產(chǎn)和銷售；
（6）南通威斯派爾半導(dǎo)體技術(shù)有限公司
南通威斯派爾半導(dǎo)體技術(shù)有限公司專注于為IGBT/SiC功率模塊提供高可靠性的散熱基礎(chǔ)材料，全力打造以AMB及DBC技術(shù)為基礎(chǔ)的覆銅陶瓷基板產(chǎn)品；
（7）無錫海古德新技術(shù)有限公司
海古德是由一群有理想抱負、有創(chuàng)新精神，以致力于發(fā)展中國氮化鋁陶瓷及其元器件為事業(yè)目標的創(chuàng)業(yè)團隊創(chuàng)建的，
中國一汽研發(fā)總院院長趙永強表示，需求驅(qū)動牽引SiC功率模塊在車用領(lǐng)域快速推廣應(yīng)用與進一步升級，要求電驅(qū)系統(tǒng)進行SiC匹配開發(fā)。基于新能源整車需求，車規(guī)SiC功率模塊封裝技術(shù)向著低雜感、高散熱、集成化、高可靠方向發(fā)展，主流SiC功率芯片以Wolfspeed、ST、Rohm、Infineon的溝槽柵結(jié)構(gòu)為代表，批量應(yīng)用前景廣闊。
