在未來幾年投入使用SiC技術(shù)來應對汽車電子技術(shù)挑戰(zhàn)是ECSEL JU的WInSiC4AP專案所要達成的目標之一。ECSEL JU和ESI攜手為該專案提供資金支援，實現(xiàn)具有重大經(jīng)濟和社會影響的優(yōu)勢互補的研發(fā)活動。由DTSMNS（Distretto Tecnologico Sicilia Micro e Nano Sistemi）牽頭，20個專案合作成員將在技術(shù)研究、制程、封裝測試和應用展開為期36個月的研發(fā)合作。本文將討論本專案中與車用電子的相關(guān)內(nèi)容，并聚焦在有關(guān)SiC技術(shù)和封裝的創(chuàng)新。

WInSiC4AP聯(lián)盟由來自4個歐盟國家（意大利、法國、德國和捷克共和國）的20個合作伙伴組成，包括大型企業(yè)、中小型企業(yè)、大學院校和政府科研機構(gòu)。在這種背景下，企業(yè)（汽車制造、航空電子設(shè)備、鐵路和國防）和垂直產(chǎn)業(yè)鏈（半導體供應商，電感器和電容器廠商）以及學術(shù)機構(gòu)和研究實驗室將合作設(shè)計解決方案，解決技術(shù)難題，分享專有知識，同時也可能出現(xiàn)無法預料的結(jié)果。WInSiC4AP的核心目標是為高效能、高成本效益的目標開發(fā)可靠的技術(shù)模組，以解決社會問題，同時克服歐洲在其已處于世界領(lǐng)先水平之細分市場以及汽車、航空電子、鐵路和國防領(lǐng)域所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

WInSiC4AP藉由產(chǎn)業(yè)垂直整合的優(yōu)勢，依照應用需求優(yōu)化技術(shù)，發(fā)展出完整的生態(tài)系統(tǒng)，并將相關(guān)問題作為可靠性問題給予全面分析。在當今美日等國家正在研發(fā)碳化矽技術(shù)，新企業(yè)搶占市場的背景下，該專案將提升歐盟工業(yè)、一級和二級供應商以及產(chǎn)業(yè)鏈下游企業(yè)的競爭力。專案組將針對目標應用開發(fā)新的拓撲結(jié)構(gòu)和架構(gòu)，在實驗室層面模擬操作環(huán)境，推進目前急需的還是空白的技術(shù)、元件和展示產(chǎn)品的研發(fā)工作，以縮小現(xiàn)有技術(shù)水平與技術(shù)規(guī)范的極高要求之間的差距。

在開始討論技術(shù)和開發(fā)目標前，圖1為電動汽車概念的簡單示意圖。在這種情況下，功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和牽引馬達所采用的電子元件是本專案的研究方向。

圖1 : 電動汽車工作原理示意圖

圖2是眾人所熟悉之矽和寬帶隙材料（SiC，GaN）的比較圖。在開關(guān)頻率還不是重點的汽車應用中，卓越的驅(qū)動性能和寬廣的工作溫度范圍，讓SiC成為電動汽車設(shè)計者的首選功率元件。

圖2 : Si、SiC和GaN的特性優(yōu)值比較(source：YoleDeveloppement)

WINSIC4AP 的主要目標

主要目標

WinSiC4AP致力于為高效能、高成本效益的目標應用開發(fā)可靠的技術(shù)模組，以解決社會問題，并克服歐洲在其已處于世界領(lǐng)先水平的細分市場以及汽車、航空電子、鐵路和國防領(lǐng)域所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

展示品

所有技術(shù)開發(fā)和目標應用的講解和展示，都是使用含有本專案開發(fā)出來的SiC技術(shù)模組和封裝原型展示品：

汽車與鐵路

1.PHEV（插電式混動汽車）或BEV（純電動汽車）車載充電器

2.HEV（混動汽車）、BEV和FC（燃料電池汽車）隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器

3. 鐵路機車智能功率開關(guān)（IPS-RA）

4. 航空級智能功率開關(guān)（IPS-AA）

納/ 微電網(wǎng)與航空電子

5.用于奈米／微電網(wǎng)V2G／V2H的高效雙向SiC功率轉(zhuǎn)換器

6.航空電子逆變器。

航空電子

7. LiPo介面

8.引擎控制器- 逆變器

該專案執(zhí)行分為三個主要階段：規(guī)范和用例定義，技術(shù)開發(fā)，原型展示研發(fā)。

WINSIC4AP項目中的SIC技術(shù)

制造SiC元件需要使用專用生產(chǎn)線，系因半導體的物理特性（摻雜劑的極低擴散性和晶格的復雜性），以及市場現(xiàn)有芯片的直徑尺寸較?。?50mm），尤其是離子注入或摻雜劑激活等制程與半導體元件制程使用的常規(guī)層不相容。因此，這些特異性需要特殊的集成方案。

使用這些方法將可以實現(xiàn)截止電壓高于1200V和1700V的兩種SiC功率MOSFET，電流強度為45A，輸出電阻小于100微歐姆。

這些元件將采用HiP247新型封裝，該封裝是專為SiC功率元件而設(shè)計，以提升其散熱性能。SiC的導熱率是矽的三倍。以意法半導體研發(fā)的SiC MOSFET為例，即使在攝氏200度以上時，SiC MOSFET也能保持高效能之特性。

WInSiC4AP專案的SiC MOSFET開發(fā)主要在2018年進行。圖3、圖4、圖5分別提供元件的輸出特性、閾值電壓和擊穿電壓等預測性能。

圖3 : SiC SCT30N120中MOSFET在攝氏25度和攝氏200度時的電流輸出特性。

在整個溫度范圍內(nèi)，輸出電阻遠低于100 mOhm; 當溫度從攝氏25度上升到攝氏200度時，閾值電壓值（Vth）降低了600mV，擊穿電壓（BV）上升了約50V，不難看出，SiC MOSFET性能明顯高于矽MOSFET。

圖4 : SiC SCT30N120中的MOSFET在攝氏25和200度時的閾值電壓

圖5 : SiC SCT30N120中MOSFET在攝氏25和200度時的擊穿電壓特性

從其它表征數(shù)據(jù)可以看出，隨著溫度從攝氏25度上升至攝氏200度，開關(guān)耗散能量和內(nèi)部體漏二極體的恢復時間保持不變。

本專案所研發(fā)的新元件將帶來類似的或更好的性能。Rdson降低是正在開發(fā)的SiC MOSFET的關(guān)鍵參數(shù)。最低的Rdson值將幫助最終使用者完成原型展示品。

功率模組

WInSiC4AP專案設(shè)想透過技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)先進的封裝技術(shù)，發(fā)揮新型SiC元件能夠在高溫[3,4]下輸出大電流的性能優(yōu)勢。

關(guān)于封裝技術(shù)，WInSiC4AP將一方面想在完整封裝方案的高溫穩(wěn)健性方面取得突破，另一方面想要控制封裝溫度變化，最終目標是創(chuàng)造新的可靠性記錄：

可靠性是現(xiàn)有技術(shù)水平5倍多; 高溫性能同樣大幅提升

能夠在攝氏200度或更高溫度環(huán)境中工作。

專案將針對整合式SiC元件的特性優(yōu)化封裝方法，采用特別是模塑或三維立體封裝技術(shù)，開發(fā)新一代功率模組，如圖6所示。

圖6 : 新一代功率模組（here 3D）

考量到SiC是一種相對較新的材料，SiC元件的工作溫度和輸出功率高于矽，有必要在專案內(nèi)開發(fā)介于芯片和封裝（前工序和后工序）之間的新方法和優(yōu)化功率模組。

事實上，為滿足本專案開發(fā)之目標應用的功率需求，需要在一個功率模組內(nèi)安裝多個SiC元件（> 20個）。功率模組需要經(jīng)過專門設(shè)計，確保元件并聯(lián)良好，以最大限度地減少導通損耗和寄生電感，開關(guān)頻率良好（最小20kHz）。

圖7所示是本專案使用的一個模組。

圖7 : STA5汽車功率模組（最大功率100kW）

結(jié)論

得益于SiC材料的固有特性，新一代功率器件提高了應用能效，同時也提高了工作溫度。

從項目的角度看，熱動力汽車向混動汽車和最終的電動汽車發(fā)展，需要使用高效的先進的電子產(chǎn)品，我們預計碳化矽技術(shù)在新車中的應用將會對經(jīng)濟產(chǎn)生積極的影響。