十多年前首次推出的SIC功率模塊有望徹底改變功率模塊市場。通過用寬帶隙氮化硅(SiC)取代標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體中使用的硅，它們有潛力將半導(dǎo)體功率模塊的適用范圍擴展到更高功率和更高溫度的應(yīng)用場景。

　　為了使SiC實現(xiàn)其高期望并在2026年前占據(jù)25%的功率模塊市場份額，開發(fā)人員必須克服多個挑戰(zhàn)。首要任務(wù)是優(yōu)化SiC模塊設(shè)計，以充分發(fā)揮這種材料的潛力，同時提供在實際應(yīng)用中所需的可靠性。

　　盡管SiC在性能上相較于硅有顯著優(yōu)勢——例如，擊穿電壓高出十倍、漏電流低出19倍，但在芯片與基板的焊接接頭處，它承受的應(yīng)力水平較高。在功率循環(huán)應(yīng)用中，這種重復(fù)的應(yīng)力會導(dǎo)致芯片與基板界面的退化，使得SiC設(shè)備的壽命比標(biāo)準(zhǔn)硅設(shè)備減少約70%。

　　本文介紹了Vincotech研發(fā)團隊開發(fā)的一種新設(shè)計方法，該方法提高了SiC功率模塊的功率循環(huán)能力，并在一定程度上改善了柵氧可靠性、短路耐受性和SiC體二極管退化。通過縮小與基于硅模塊的整體可靠性差距，使SiC成為多種功率模塊應(yīng)用中一種可行的高性能替代方案。我們將改進設(shè)計的性能與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計和競爭產(chǎn)品進行比較，并評估其對電動汽車充電樁的影響。

　　瓶頸識別

　　SiC預(yù)計將在提高電動汽車供電設(shè)備(EVSE)整體系統(tǒng)效率方面發(fā)揮重要作用，將效率從95%提高到98%，提供更高的效率、更高的功率密度和更快的充電時間。然而，為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，SiC必須在功率循環(huán)能力方面與傳統(tǒng)的基于硅的解決方案匹敵，確保高可靠性。

　　盡管SiC的電氣特性優(yōu)于硅，但其機械特性對功率循環(huán)能力產(chǎn)生了負面影響。尤其是，SiC的楊氏模量高出三倍，可能導(dǎo)致焊接接頭中裂縫的形成和擴展。

　　此外，EV充電器等應(yīng)用的高需求任務(wù)特性，伴隨著較長時間的最大功率輸出(例如，EV充電器的情況)以及通過較小結(jié)點流動的較大電流所產(chǎn)生的高溫，都會對焊接接頭施加額外的應(yīng)力，這需要有效管理。

　　所有這些因素都指向需要加強芯片與焊接接頭，以改善SiC模塊的功率循環(huán)能力。

　　測試新焊料合金以提升SiC功率模塊性能

　　在實驗室中，我們的研發(fā)團隊實施了一種新焊料合金，提高了SiC功率模塊的性能，使這種技術(shù)在實際應(yīng)用中可行。我們測試了SiC功率模塊在連接SiC芯片和基板的技術(shù)方面的功率循環(huán)能力。測試中，我們使用了VIN flowPACK E1 SiC模塊，該模塊內(nèi)部采用了SiC MOSFET芯片技術(shù)，并與競爭對手的模塊進行了比較。

　　為了專門激發(fā)焊接退化這一關(guān)鍵失效模式，我們進行了加速功率循環(huán)測試，使芯片達到最大結(jié)溫Tjmax = 150 °C和175 °C，并設(shè)定溫度差dT = 100K，持續(xù)時間ton = 1秒。這使我們能夠模擬目前的典型操作條件(Tjmax = 150 °C)以及下一代高性能解決方案的預(yù)期條件(Tjmax = 175 °C)。在這兩種情況下，失效標(biāo)準(zhǔn)定義為結(jié)與外殼之間的熱阻Rth(j-c)增加20%，這表明芯片與基板界面處裂縫的形成和擴展。

　　圖3的上部分圖表展示了每個測試芯片的芯片與基板接口的熱阻變化。達到失效所需的功率循環(huán)次數(shù)由所繪制的曲線交點與表示失效標(biāo)準(zhǔn)的虛線確定。通過韋布爾分析(見圖3的下部分圖表)，分析失效數(shù)據(jù)揭示觸發(fā)約63%所有測試芯片失效所需的平均循環(huán)次數(shù)，被認為是組件的特征壽命。

　　評估模塊的預(yù)期壽命

　　接下來，我們比較了SiC功率模塊與標(biāo)準(zhǔn)硅設(shè)備(見圖4上部圖表)的功率循環(huán)能力，使用了Vincotech和競爭對手的模塊，并使用標(biāo)準(zhǔn)焊料。測試在最大結(jié)溫Tjmax為150 °C和175 °C的情況下進行，確認SiC設(shè)備所經(jīng)歷的焊接接頭的更高應(yīng)力使其功率循環(huán)能力比硅設(shè)備低七倍，無論使用的是Vincotech模塊還是競爭對手模塊。正如預(yù)期，在Tjmax = 175 °C時，模塊經(jīng)歷的更高溫度和應(yīng)力顯著降低了模塊的功率循環(huán)能力。

　　基于這些結(jié)果，我們使用壽命模型預(yù)測在實際應(yīng)用中部署的EV充電器模塊的預(yù)期壽命。假設(shè)每日24個循環(huán)，最大結(jié)溫Tjmax為125 °C，溫度變化為100 K，SiC功率模塊的預(yù)期壽命僅為2.2年，而硅功率模塊的預(yù)期壽命則為16年。使用Vincotech實施的新焊料合金進行相同比較(見圖4下部圖表)，我們將循環(huán)能力提升至接近使用標(biāo)準(zhǔn)焊料的硅設(shè)備的水平。在更高的最大結(jié)溫Tjmax = 175 °C下，功率循環(huán)性能也得到了顯著改善，新焊料合金大幅提高了與競爭SiC模塊的性能。假設(shè)與之前相同的充電器任務(wù)特性，新焊料合金將SiC功率模塊的壽命提升到約15年，接近硅設(shè)備的壽命，并超越了市場接受所需的當(dāng)前閾值。

　　準(zhǔn)備服務(wù)快速增長的電動汽車充電市場

　　Vincotech先進的芯片附著技術(shù)是解決SiC功率模塊在功率循環(huán)能力方面面臨的可靠性挑戰(zhàn)的高效且經(jīng)濟的解決方案。我們的工程團隊繼續(xù)研究新焊料合金，以充分利用這種互連技術(shù)。同時，他們還在探索新技術(shù)，如燒結(jié)，如果能夠改善連接線的可靠性(這是當(dāng)前解決方案中第二弱的環(huán)節(jié))，將進一步提升功率循環(huán)能力。Vincotech在SiC技術(shù)上擁有龐大的產(chǎn)品組合，涵蓋40多個不同的部件編號，并基于多源芯片供應(yīng)鏈。此外，我們?yōu)橹绷骺斐鋺?yīng)用提供專用產(chǎn)品線，涵蓋每個轉(zhuǎn)換階段的全面產(chǎn)品組合。為了伴隨電動汽車充電站市場的快速增長，我們制定了強有力的SiC功率模塊技術(shù)路線圖，以滿足高可靠性的規(guī)格要求。

浮思特科技專注功率器件領(lǐng)域，為客戶提供IGBT、IPM模塊等功率器件以及MCU和觸控芯片，是一家擁有核心技術(shù)的電子元器件供應(yīng)商和解決方案商。