S1_02_英飞凌碳化硅功率器件的发展

成本考虑必须在最高的系统级别作对比 !
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议程
1 2 2A 2B 2C 3 4
使用 SiC 的动机 器件 二极管 晶体管 SiC相关的封装问题 应用上的考虑与例子 总结
G5
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Ifsm vs. Inom
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G5
英飞凌第五代二极管 – 扩散焊接技术 及 薄芯片技术
第二代 350µ m芯片及焊锡
Leabharlann Baidu
第三代 350µ m芯片及扩散焊接
第五代 110µ m芯片及扩散焊接
165.5° C
136.4° C
121.1° C
25° C
ANSYS温度分布仿真-5.1 mm² 芯片安装在铜支架@25° C，连续功耗 170W 薄芯片的Rth,jc 明显下降 由于去除焊锡层的热阻，最高结温明显降低 基板与芯片之间的ΔT减小，提高可靠性 (降低机械应力) 薄芯片技术提高SiC芯片单位面积可用功率 成本
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p-参杂分区导通双极性电流，在浪涌电流时优势尽显
肖特基 接触 边缘终止区 n-外延漂移層
金属化层
双极性电流 作增强
正常工作：肖特基电流
n+ 外延场终止层
SiC 二极管及晶体管的开发目标
二极管
晶体管
单极性肖特基二极管，由600V到 MOSFETs与JFETs，电压由 >1000V 开始，最高到3.3kV 1.7kV 不是目前英飞凌的开发重点 3.3kV MPS二极管 4.5kV以上双极性二极管
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600V 器件，与硅Super Junction (SJ), IGBT及GaN高度竞争 目前单极性晶体管极限约为4.5kV, SJ 方式可能改变此极限
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晒选理论显示在批量生产时，工作的电场与击穿电场 必须有充分的余量才能作有效晒选 极限为3MV/cm
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展望 – 英飞凌对 SiC 晶体管的定位
英飞凌的方向: 1. 目前JFET 是高度可靠的器件 2. 开发未来 SiC 晶体管时需要解决目前DMOSFET的技术弱点
英飞凌碳化硅功率器件的发展
2016年3月22日 馬國偉 英飛凌科技香港有限公司
议程
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使用 SiC 的动机 器件 二极管 晶体管 SiC相关的温度与封装问题 应用上的考虑与例子 总结
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由于材料缺陷或工艺不完美，半导体与氧化层之间的界面会出现弱点(局部变薄)
相对于MOS 德主体部分，这些氧化层弱点的寿命会缩短早期故障、没法达到正常寿 命，及现场故障
带有此缺陷的器件不应该流入应用场合 目前市面的器件存在过多类似缺陷，而且不同供应商之间区别巨大 需要专用晒选流程去侦测此类带缺陷的弱器件(同时适用于硅技术) 会导致目前的DMOS良品率减小30%!
在开关及二极管模式中的 线形I-V 特性关系 降低通态损耗
内置反接二极管, 提高功率密度
晶体管成 功的关键 因素
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英飞凌 SiC 晶体管的开发方向
英飞凌同时研究MOSFET及JFET概念 20年 基于对两种技术的深入了解作出评价 1999年首先示范 SiC 功率 MOSFET 问题 : 为何英飞凌没有SiC 功率 MOSFET 商用产品？
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Drain
决定 : DMOS 技术不用于商用产品
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以薄氧化层作控制
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市面上已经有SiC MOSFETs了 - 那又如何? MOS 器件栅极氧化层缺陷的挑战
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SiC 的成本问题 ….
问题
„我听说SiC 器件比硅器件贵. 到底贵多少 ?“
如何定义合适的对比参数?
如何量化性能的优势?
答案对每个应用都不同，但几乎在所有情况下SiC都较贵!
???
即使Si-IGBT目前也需要降速使用 SiC 二极 管会更有意义，因其Qrr 大幅降低，可带来IGBT 开通损耗的大幅降低
使用多电平拓扑比单器件可得到更高效率。 单器件也面对封装问题
目前仍未看到在技术及商业上可成功使用高压 SiC开关的情况
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议程
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使用 SiC 的动机 器件 二极管 晶体管 SiC相关的封装问题 应用上的考虑与例子 总结
对浪涌电流稳定的1200V SiC MPS 二极管
Al wirebond epi layer field stop layer SiC substrate backside metalization
polyimide
termination
使用完整 MPS 结构的1200V二极管 薄晶圆技术 降低单位面积电阻 在标称电流下 VF为 1.4 .. 1.5V Si-SiC混合模块开始在工业应用中使用 第五代大幅降低导通损耗
ID (A)
ID (A)
Ptot_IGBT >
25° C 150° C
SiC JFET
Ptot_SiCFET
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Si IGBT UDS (V)
SiIGBT U DS(V)
要跟IGBT对比导通损耗 ，轻载必须是使用条件的重要要求!
SiC FET技术对比硅技术对用户的价值
低动态损耗，特别是相对于IGBT的关断损耗
高导通率4H SiC 衬底
40
30
IF (A)
20 15 10 5 0 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00
su r
25
ge
cu r
ren
VF (V)
35
Combined characteristics
Schottky diode forward characteristic
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单极性器件：肖特基二极管与高温正向 I-V特性
I-V characteristic - 1200V 15A SiC肖特基二极管 forward behavior SBD
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高压 (>3kV) SiC 器件 - 潜能及要求
高压 SiC 元器件的潜能
高压应用的要求
???
大幅降低芯片单位面积导通损耗 开关速度更快 每芯片阻挡电压更高
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SiC 器件在工业逆变器提高效率的不同方式
IGBT及 Si-二极管
总损耗
IGBT及 SiC-二极管
SiC 面积
SiC FET带内 置二极管
开关频率
t
Bipolar pn diode forward characteristic
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主要优点: 低 VF 与 高浪涌电流能力 Ifsm
VF @ rated current
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
0
VF (V)
温度增加时，正向压降大幅增加， 导通损耗因此亦大幅增加
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ThinQ™ 第五代1200V SiC二极管结构
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SiC 晶体管优点 : 同时降低导通及开关损耗
SiC
xFET
Si晶闸管
Si- IGBT
(low loss)
CoolMOS
1000 V
Chipsize 1 cm2
20 18 16 14 12
10
25 ° C 75 ° C 125 ° C 175 ° C
标称电流
RT 75癈 125癈 150癈 175癈 200癈
8
6
10 8 6 4 2 0 0,0 0,5 1,0 1,5 VF (V) 2,0 2,5 3,0
IF (A)
4
IF (A)
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硅 1200V EMCON
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SiC 是好的半导体材料
处理目前DMOSFET技术弱点的方向
性能目标 – 通道电阻低，跨導值高，Vth值安全，充足短路能力 (目标为 10µ s)
可靠性目标 – 没有外在缺陷导致的故障 , 栅极閾值稳定
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Source Gate Oxide
p
n
+
n
+
4H-SiC 面 DMOS 结构的通道电阻难题 异常大的通道电阻，变成导通电阻的 主要部分 只能在导通时对氧化层施加高电场 (Vgsmax 除以氧化层厚度） 过高电场不符合可靠性要求
n-漂移層
迁移率? 可靠性 ?
DMOSFET
n+sub
通道在表面
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SiC肖特基续流二极管用于工业应用
降低总功耗只会在开关频率>10kHz 时出现, 如 >20kHz则更佳 工作电压越高，此频率越低 在下列情况SiC会更有优势 : 需要输出滤波器 高开关频率可把滤波器缩小 小或不需DC母线电容，如在矩阵变换器 应用于高转速电机或高精度伺服驱动 降低体积或重量是重要目标
50 40
Current (A) 30 20 10 Si-MOSFET + 大幅降低 开关损耗
Power loss @ 50A
P=UxI
500W
200W
75W
50W <5W
0
1
2 Voltage (V)
3
4
5
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但是：往往忽略了单极性器件的电阻特性
SiC JFET
导通损耗 – 与IGBT竞争
Ptot_IGBT < Ptot_SiCFET
薄及低电阻工 作层 高速低损耗单 极性器件，提 高工作电压
2-3倍功率密 度
系统效益 提高开关品率而不损 效率 提高系统功率密度 无源器件更小及低 价 提高功率转换时的效 率 降低能源成本 降低散热器体积及 成本 可靠地提高系统工作 4 电压
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SiC 肖特基二极管的优点 – 没有 Qrr
大幅减小IGBT开通损耗及Erec, 让CCM PFC变得可行
降低因二极管反向恢复产生的EMI
缺点: 导通损耗比硅二极管高