WNEVC2022基本半导体魏炜：碳化硅MOSFET技术解析

由中国科学技术协会，北京市人民政府，海南省人民政府，科技部，工业和信息化部，生态环境部，住房和城乡建设部，交通运输部，国家市场监督管理总局，国家能源局联合主办的第四届世界新能源汽车大会于8月26—28日在北京和海南以线上线下的方式举行其中，北京会场位于北京经济技术开发区艺创国际会展中心

会议由中国汽车工程学会等单位主办，以碳中和愿景下的全方位电动化与全球合作为主题，邀请世界各国政产学研各界代表共同探讨大会将包括20多场会议，13，000平方米的技术展览和多项同期活动200多位政府高层领导，海外机构官员，全球商界领袖，院士和行业专家将出席会议并发表演讲

其中，基础半导体技术市场总监魏伟在8月26日举行的技术研讨会上做了精彩演讲:汽车规芯片技术的突破与产业化发展。

以下为现场演讲实录:

大家好，我是基础半导体的魏巍我很高兴参加今天的会议我给大家带来的话题是关于碳化硅MOSFET技术芯片和模块工艺的一些话题

这是目录我们先来看碳化硅MOSFET芯片，它的结构是Rdson内阻，以及MOSFET可靠性的难点和应用中的风险点另一部分是关于MOSFET模块的先进封装技术，包括三个要点:银烧结，芯片的DTS技术和先进的陶瓷覆铜板材料从这里开始说吧

有了这个知识库之后，我们再来看看现实中的MOSFET是什么样子这是截面图这个截面图就是现在的垂直导电MOSFET的基本结构，就是这样

假设上面红色的部分是源极，下面是漏极，那么电流从漏极进入，从源极退出，从下往上进入蓝框的位置是通道，左右对称现在我们称屏幕上的区域为原始包这个原始包的基本结构是这样的一扇大门两边都有通道，蓝色是通道然后这个电流流过这个地方，所以这叫做基本MOSFET结构

我们来看看这个结构和之前的有什么不同首先试着找出通道在哪里，蓝色的部分就是通道你会发现这个通道和上一个不一样，因为上一个是水平的，这个是垂直的先说一下它阻力的构成我们会发现这种结构的MOSFET电阻更小，所以只由七个部分组成这分别是接触电阻，源电阻，沟道电阻和积累电阻，其中一个是JFET电阻，当它消失时刚才的图有这个，现在这个没了其他都一样，漂移电阻，然后是衬底电阻，然后是源极接触电阻由于这个电阻减小后可以减少一个电阻，所以在制作MOSFET时制作沟槽栅极是有利的，这也是电阻可以减小的原因

那我们来看看这个话题在我们刚才谈到碳化硅之前，我想谈谈硅硅的MOSFET结构中Rdson的比例是一种怎样的存在让我们看看这个盒子这里描述的是一个由硅制成的600V MOSFET它的抵抗力是怎么构成的看一下红色方框中的部分，这是JFET和漂移阻力的比例我们会发现这个比例大得惊人，高到其他数字根本不大这是硅MOSFET的一般结构

然后我们得出一个结论，就是硅高压MOSFET中Rdson的主要矛盾是漂移区的电阻，就像刚才的图一样我们这里有个公式，叫做硅高压MOSFET对其器件耐压和内阻有经验共识说白了，这种硅MOSFET的内阻与内压的2.5次方成正比这就导致了一个现象当硅制成的MOSFET的内部压力上升时，内部电阻会上升得很快，以至于在高电压场景下，硅制成的MOSFET的经济性很差，因为电阻极大，所以不容易使用那么我们来看看超结技术实际上，超结技术降低了MOSFET漂移区的电阻，可以大大降低导通电阻

那么我们来看看MOSFET平山的碳化硅MOSFET Rdson在实战中的组成这里举个例子，不过这个例子没有一般的意义，但是会给人一种定性的感觉也就是你可以看到一个1200V MOSFET的电阻组成是分散的首先你会看到沟道的电阻比并没有硅那么小，而是比较高，有可能打到三四十以上JFET电阻器具有一定的频率，此外，漂移区和衬底也具有一定的频率你可以看到，这个比例和刚才硅的比例相差很大

现在来说说渠道阻力的表现此图是MOSFET沟道电阻的表达式这个表达式中有几个值，这里告诉你通道的电阻是由什么组成的一个是长度LCH，一个是原封装的宽度Wcell，然后是电子uni和Cox的栅氧化层的电容层，一个是栅电压和栅阈值，这两个都有关系从这个指示也可以看出一个有趣的规律

因为高压硅MOSFET中的沟道比非常不显著，所以提高阈值GS电压不能降低或者根本不显著但是如果在碳化硅MOSFET中情况就不一样了，因为这种情况碳化硅占30%—40%甚至50%，所以如果我提高栅压，影响总电阻的每个人都是这个重量，30%—40%或者50%所以讨论GS的电压而不讨论碳化硅MOSFET中GS的阈值电压，可以明显降低Rdson所以在我们的碳化硅MOSFET中，经常提到要使用高栅压低阈值电压正是因为这个原因，一切都是为了抵抗

这里再来看另一个因素，就是水流的流动性这个位置有一个电阻迁移率，我们也可以看到电阻迁移率是因素之一但在实战中，这个因素影响很大，可以明显影响碳化硅的好坏差别

首先，这是一个关于MOSFET可靠性难度的话题有一个问题这个门有寿命问题，所以我们要评估它的寿命该方法是一种外推法以后会从栅极电压查出来应用的程度，然后连接后就能估计出20负栅极电压时的水平

另一个话题是碳化硅MOSFET开关时Du/dt的应力我们说碳化硅MOSFET在汽车中用作电机驱动器由于碳化硅MOSFET的Du/dt水平远高于IGBT，这种相对较高的du/dt会导致电极的电机层定子绕组中有漆包线，线间绝缘会有一定的电容，而DU/DT会使共模电流通过电容共模电流实际上会损害漆包线的寿命所以用了碳化硅之后，电机的设计还需要再改进，否则电机可能会早死，所以这是一个很现实的问题

我们再来看这个话题，就是那个叫碳化硅MOSFET的同步整流模式，因为以前我们搞电机驱动的时候，很少用到MOSFET，至少不典型所以它们大多采用IGBT，但IGBT没有同步整流模式，其电流导致流经二极管由于二极管芯片和IGBT芯片大多是分开的，所以在MOSFET中情况就不一样了，因为它有同步整流模式，也就是说当它关断时电流通过T2，MOSFET就会从二极管跑到沟道而这个功能会是一个新的挑战，然后让设计师做一定的改变让我们看看这个地方，它可以告诉你，碳化硅MOSFET的T2级晶体管的第一和第二导向特性并不优秀它的电压降相对较高，通常从5伏开始所以穿过二极管不好这只能在死区时间之后进行其他时候，需要把它开进沟里否则性能会很高，也就是损失会很大

另一个主题是MOSFET的隔离驱动器和共模噪声驱动器的共模噪声很大，所以驱动器能不能做到需要大MOSFET因此，隔离芯片的共模移植能力必须非常好还有短路能力MOSFET的短路能力需要进行大量模拟这是我们的实际结果

看短路保护这里的短路保护和之前的IGBT没有太大区别，但是它的允许时间会缩短很多，大概1.8us—2.3us，比较窄，所以调试的程度比较高

现在我们来看模块中的银烧结技术在模块中，它的芯片和顶层是夹层结构，但通常有两种连接方式，一种是焊接，一种是烧结焊接是用焊料连接，简写是用银烧结连接两个物体其实烧结焊芯也不是很好很常见首先厚度很厚，不能特别薄第二热导率约为50w/m * k..燃烧部分在这个问题上有了很大的改进

现在我们来谈谈焊接的缺点:

1.同源温度过高，机械可靠性不好，因为工作温度源的熔点已经有点接近了，这样不好，会导致相变。

2.连接层的温度循环和功率循环能力较弱因为时间长了层会开裂，焊接不好

再来看银烧结首先，我们抛出结论所形成的连接层的所有参数都是主要的导热系数，银烧结的导热系数为220W/m*k，是焊料的4倍是220，固态的是420，所以即使是烧结蜂窝的银度还是很高的第二是厚度银烧结层的厚度只有不到20um，所以很薄，可靠性也提高了一个数量级，所以差别挺大的

我们来看下一个话题，就是MOSFET芯片载流时的痛点碳化硅芯片的电流密度比IGBT高很多，所以IGBT的面积比较大，但是碳化硅MOSFET的面积比较小，所以留给铝线的面积也小铝线的可靠性模块成为瓶颈，所以成为痛点怎么解决问题DTS技术可以解决这个问题怎么发生的即芯片上表面要用铜线烘干，但铜线不能直接使用，需要缓冲层这项技术可以大大提高天花板的电流密度

让我们来看看DTS的结构让我们先来看一个样图中间的是芯片芯片上表面有一层银浆，然后是缓冲铜箔，然后是铜线，然后把它们连在一起因为铜线很粗，不能直接打到芯片上，中间要配一个缓冲层它的目的是释放硬力，铜线都可以，所以结构是这样的芯片的上表面是用银烧结的，缓冲器是用银烧结连接的，然后芯片的下表面也用银烧结，所以这是一个只有双面银烧结才能完成的工艺芯片下表面烧银相当普遍，芯片上表面烧银还得结合DTS技术

那么这就是一个例子它有几个优点第一电流容量大大提高第二个是如果芯片跑起来，这个技术去除了焊料，所以它的天花板也明显上升，所以是一个很好的基础这是一个例子的照片可以看出是铝线，但是下图中，给它供应的DTS的温升有了很大的提高

下面的话题是功率模块中常用的陶瓷材料通常切割材料有三个维度，第一是绝缘，第二是导热，第三是可靠性说到陶瓷，通常有三种，氧化铝，氮化铝，氮化硅但是在碳化硅中，会有更明显的区别我们说氧化铝更便宜，但是性能很一般氮化铝具有优异的导热性，但是它具有韧性不太好的缺点在实战中，还是有一些不足在制作碳化硅模块时，我们发现由氮化硅陶瓷制成的陶瓷覆铜板具有优异的韧性，这导致了良好的可靠性，并且可以做得更薄

看这张图，说明通过使用不同的陶瓷，配合不同的铜厚度，陶瓷厚度和温度循环，可以发现氮化硅陶瓷形成的陶瓷覆铜熔体板具有很强的温度循环能力，所以在实战中可靠性非常好那么，我们来下一个结论，就是氮化硅陶瓷的导热系数虽然比氮化铝高，但是做得太薄太脆了如果用氮化硅陶瓷，可以薄很多，所以我们PK热阻的话，氮化硅陶瓷和氮化铝不相上下，氧化铝好很多如果PK有热容，因为韧性好，可以配更厚的铜箔而且更厚的铜箔是我们非常喜欢用的，所以这是一个很大的优势我们的下一个结论是，氮化硅陶瓷是一种非常适合汽车碳化硅模块的陶瓷材料

以上是我给大家带来的题目解释谢谢你