在未來幾年投入使用SiC技術來應對汽車電子技術挑戰(zhàn)是ECSEL JU 的WInSiC4AP項目所要達到的目標之一。ECSEL JU和ESI協(xié)同為該項目提供資金支持，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個項目合作方將在技術研究、制造工藝、封裝測試和應用方面展開為期36個月的開發(fā)合作。本文將討論本項目中與汽車相關的內(nèi)容，重點介紹有關SiC技術和封裝的創(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)、中小企業(yè)、大學和政府科研機構。在這種背景下，企業(yè)(汽車制造、航空電子設備、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)以及學術機構和研究實驗室將合作設計解決方案，解決技術難題，分享專有知識，同時也可能出現(xiàn)無法預料的結果。WInSiC4AP的核心目標是為高能效、高成本效益的目標應用開發(fā)可靠的技術模塊，以解決社會問題，克服歐洲在其已處于世界領先水平的細分市場以及汽車、航空電子、鐵路和國防領域所面臨的技術挑戰(zhàn)。WInSiC4AP方法是依靠產(chǎn)業(yè)垂直整合的優(yōu)勢，按照應用需求優(yōu)化技術，發(fā)展完整的生態(tài)系統(tǒng)，并將相關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發(fā)展碳化硅技術，新企業(yè)搶占市場的背景下，該項目將提升歐盟工業(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。項目組將針對目標應用開發(fā)新的拓撲結構和架構，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、元器件和演示產(chǎn)品的研發(fā)工作，以縮小現(xiàn)有技術水平與技術規(guī)范的極高要求之間的差距。

在開始討論技術和開發(fā)目標前，先看一下圖1的電動汽車概念的簡單示意圖。在這種情況下，功率轉換系統(tǒng)和牽引電機所用的電子元器件是本項目的研究方向。

是大家都熟悉的硅和寬帶隙材料(SiC，GaN)的比較圖。在開關頻率不是重點的汽車應用中，卓越的驅動性能和寬廣的工作溫度范圍讓SiC成為電動汽車設計者的首選功率器件。

I.WInSiC4AP 的主要目標

A.主要目標

WInSiC4AP致力于為高能效、高成本效益的目標應用開發(fā)可靠的技術模塊，以解決社會問題，并克服歐洲在其已處于世界領先水平的細分市場以及汽車、航空電子、鐵路和國防領域所面臨的技術挑戰(zhàn)。

B.演示品

所有技術開發(fā)和目標應用的講解和展示都是使用含有本項目開發(fā)出來的SiC技術模塊和封裝的原型演示品：

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轉換器3. 鐵路機車智能功率開關(IPS-RA)

4. 航空級智能功率開關(IPS-AA)

納 / 微電網(wǎng)與航空電子：

5.用于納米/微電網(wǎng)V2G / V2H的高效雙向SiC功率轉換器6.航空電子逆變器。

航空電子：

7. LiPo接口

8.引擎控制器 - 逆變器

該項目的實施分為三個主要階段：規(guī)范和用例定義，技術開發(fā)，原型演示品開發(fā)。

II.WInSiC4AP項目中的SiC技術

SiC器件的制造需要使用專用生產(chǎn)線，這是因為半導體的物理特性(摻雜劑的極低擴散性和晶格的復雜性)，以及市場現(xiàn)有晶片的直徑尺寸較小(150mm)，特別是離子注入或摻雜劑激活等工藝與半導體器件制造工藝中使用的常規(guī)層不相容[1]。

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100mΩ。

這些器件將采用HiP247新型封裝，該封裝是專為SiC功率器件設計，以提高其散熱性能。SiC的導熱率是硅[2]的三倍。以意法半導體研制的SiC MOSFET為例，即使在200°C以上時，SiC MOSFET也能保持高能效特性。

WInSiC4AP項目的SiC MOSFET開發(fā)活動主要在2018年進行。圖3、圖4、圖5分別給出了器件的輸出特性、閾值電壓和擊穿電壓等預測性能。

SiC SCT30N120中MOSFET在25和200℃時的電流輸出特性。[!--empirenews.page--]

在整個溫度范圍內(nèi)，輸出電阻遠低于100 mOhm; 當溫度從25℃上升到200℃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性能明顯高于硅MOSFET。

SiC SCT30N120中的MOSFET在25和200°C時的閾值電壓圖5： SiC SCT30N120中MOSFET在25和200°C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25℃上升至200℃，開關耗散能量和內(nèi)部體漏二極管的恢復時間保持不變。

本項目開發(fā)的新器件將會實現(xiàn)類似的或更好的性能。Rdson降低是正在開發(fā)的SiC MOSFET的關鍵參數(shù)。最低的Rdson值將幫助最終用戶實現(xiàn)原型演示品。

III.功率模塊

:

WInSiC4AP項目設想通過技術創(chuàng)新開發(fā)先進的封裝技術，發(fā)揮新型SiC器件能夠在高溫[3,4]下輸出大電流的性能優(yōu)勢。

關于封裝技術，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：

ü可靠性是現(xiàn)有技術水平5倍多; 高溫性能同樣大幅提升ü能夠在200°C或更高溫度環(huán)境中工作。

項目將針對集成式SiC器件的特性優(yōu)化封裝方法，采用特別是模塑或三維立體封裝技術，開發(fā)新一代功率模塊，如圖6所示。

考慮到SiC是一種相對較新的材料，SiC器件的工作溫度和輸出功率高于硅的事實，有必要在項目內(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)化功率模塊。

事實上，為滿足本項目將要開發(fā)的目標應用的功率要求，需要在一個功率模塊內(nèi)安裝多個SiC器件(> 20個)。功率模塊需要經(jīng)過專門設計，確保器件并聯(lián)良好，最大限度地減少導通損耗和寄生電感，開關頻率良好(最小20kHz)。

A.縮略語

R&D 研發(fā)

SiC碳化硅

PHEV插電式混動汽車

BEV純電動汽車

FC燃料電池

HEV混動汽車

EV電動汽車

IV.結論

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，我們預計碳化硅技術在新車中的應用將會對經(jīng)濟產(chǎn)生積極的影響。

致謝

WInSiC4AP項目已獲得ECSEL JU(歐洲領先電子元件系統(tǒng)聯(lián)盟)的資金支持(撥款協(xié)議No.737483)。該聯(lián)盟得到了歐盟Horizon 2020研究和創(chuàng)新計劃以及捷克共和國、法國、德國、意大利政府的支持。