由中國科學技術(shù)協(xié)會、北京市人民政府、海南省人民政府、科學技術(shù)部、工業(yè)和信息化部、生態(tài)環(huán)境部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、交通運輸部、國家市場監(jiān)督管理總局、國家能源局聯(lián)合主辦的第四屆世界新能源汽車大會（WNEVC 2022）于8月26-28日在北京、海南兩地以線上、線下相結(jié)合的方式召開。其中，北京會場位于北京經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)的亦創(chuàng)國際會展中心。

大會由中國汽車工程學會等單位承辦，將以“碳中和愿景下的全面電動化與全球合作”為主題，邀請全球各國政產(chǎn)學研界代表展開研討。本次大會將包含20多場會議、13,000平米技術(shù)展覽及多場同期活動，200多名政府高層領(lǐng)導、海外機構(gòu)官員、全球企業(yè)領(lǐng)袖、院士及行業(yè)專家等出席大會發(fā)表演講。

其中，在8月26日舉辦的技術(shù)研討：“車規(guī)級芯片技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展”上，基本半導體技術(shù)營銷總監(jiān)魏煒發(fā)表精彩演講。

以下內(nèi)容為現(xiàn)場演講實錄：

大家好，我是基本半導體的魏煒，今天非常高興來參加這個會議，我給大家?guī)淼念}目是關(guān)于碳化硅MOSFET技術(shù)芯片以及模塊技術(shù)的一些話題。

這個是目錄，我們先來到碳化硅MOSFET芯片，它的結(jié)構(gòu)是Rdson內(nèi)阻構(gòu)成，以及MOSFET可靠性的難點和應用中的風險點。另外一大部分是講MOSFET模塊的先進封裝技術(shù)，其中有三個要點，一個是銀燒結(jié) （Ag Sintering技術(shù)），還有芯片DTS技術(shù)、還有先進陶瓷覆銅板材料。我們先從這兒開始聊起。

先聊一個最樸素的MOS是怎么開通和關(guān)斷的，將一個P型硅點頂?shù)捻斏献龀鰞蓚€N型的區(qū)域，然后在最頂上做出一層氧化層和一層金屬，分別是紅色的是氧化層，綠色的是金屬。然后我們再給金屬和P型硅的之間施加了柵壓，這里就會發(fā)生一個電場效應。電場效應會使得綠色的帶上正電荷，在綠色金屬對面就是氧化層的對面，會在這一面感應出負電荷。但是事實上這是一個P型硅點，而P型是不太多電子的，但是由于強電場的作用，這里就會出現(xiàn)很多電子的密度很高。所以，就會把這個局部材料性質(zhì)會從原本P型轉(zhuǎn)變成N型，我們把這種過程叫做“反型”。反型之后，這個區(qū)域的屬性就會從P型變成N型，這個是N，這邊也是N。中間也是N，所以就成了N和N連起來了，所以外面加一次負載，電流就會傳過這個地方就能導通了。因此，我們說這個圖片中藍色的區(qū)域就是MOSFET的構(gòu)造。

我們有了這個知識基礎(chǔ)之后，我們來看看在現(xiàn)實中的MOSFET長成什么樣子。這里有一張截面圖，這個截面圖就是現(xiàn)在的垂直導電的MOSFET的基本結(jié)構(gòu)就是這樣。

我們說上面紅色的部分是源極，下面的是漏極，因此電流從漏極進，從源極出，從下面進上面出。藍色框的位置，就是溝道，它是左右對稱的。我們現(xiàn)在把屏幕上的區(qū)域名字叫原包，這個原包的基本結(jié)構(gòu)就是這樣，一個柵，兩邊都有溝道，藍色就是溝道了，然后這個電流通過這個地方就流過去了，所以就把這個叫做基本的MOSFET結(jié)構(gòu)。

接下來聊一下MOSFET它的內(nèi)部電阻是怎么構(gòu)成的，我們經(jīng)常說影響MOSFET主要的是由電阻來影響的，因為鉛和電阻是正相關(guān)的，電阻到底都有什么東西構(gòu)成。先說這個名詞Rdson，Rdson在平面柵的的過程中一共有8個部分構(gòu)成，是用圖片上顯示的。從上到下，第一個部分叫做源極接觸電阻，它就是紅色源極的金屬與半導體的源極結(jié)束就是N+，接觸的時候會有一次接觸電阻。然后到源區(qū)內(nèi)有體現(xiàn)叫RN+，然后電流到這兒就叫做溝道電阻，剛才我們說這個區(qū)域就是溝道，然后電流再跑出來就是RA電阻，再下來叫JFET電阻，再往下就是漂移區(qū)電阻RD，再往下就是襯底區(qū)的電阻，再往下就是這里有一次接觸，就將半導體的電流要導到金屬里面，叫做接觸電阻，最后電流就出來了。因此，這一共是8個電阻的構(gòu)成。

我們看下一頁，我們經(jīng)常也連到碳化硅MOSFET會有溝槽柵，那么溝槽柵到底是什么樣子？圖片上顯示就是溝槽柵。我們先說在碳化硅的材料中，挖出了一個槽，在這個槽里填入氧化層再填入柵極，這個綠色的就是柵極，就會構(gòu)成了溝槽柵的樣子。但是其實這個圖片上的知識，它并不局限在碳化硅或者硅，因為硅的MOSFET最雛形也是這個樣子，所以它無所謂的。

我們看看這個結(jié)構(gòu)跟剛才的有什么區(qū)別，先嘗試找出哪里是溝道，藍色的部分就是溝道，大家會發(fā)現(xiàn)這個溝道跟剛才那張圖是不一樣的，因為剛才那張圖是水平的，這張圖是垂直的。我們聊聊它電阻的構(gòu)成又會是什么樣呢。我們會發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)的MOSFET，它的電阻少了一部分，所以它只有7個部分構(gòu)成。分別這個接觸電阻，源區(qū)電阻、溝道電阻、積累區(qū)電阻，有一個電阻不見了就是JFET電阻，剛才那個圖是有這個的，而現(xiàn)在這個就沒有了。其他是一樣的，漂移區(qū)電阻，然后是襯底電阻，然后是源區(qū)接觸電阻。由于這個電阻少了之后，是能夠減少一塊電阻，因此在做成MOSFET的時候，做成溝槽柵是有優(yōu)勢的，能減少電阻就是這個原因。

然后我們來看看這樣的話題，剛才聊到碳化硅之前我想聊聊硅，我們說硅的MOSFET結(jié)構(gòu)它的Rdson構(gòu)成的比例是一種什么樣的存在。我們看這個框，這里描述的是一個600V的MOSFET用硅材料做的，它的電阻是怎么構(gòu)成的呢？紅框中的部分大家看一下，是JFET和漂移區(qū)電阻占的比例，我們會發(fā)現(xiàn)這個比例是出奇的大，非常高，高到讓其他數(shù)字一點都不大。這就是硅MOSFET一般的構(gòu)成。

然后我們來推出一個結(jié)論，就是在硅極的高壓MOSFET，Rdson的主要矛盾是漂移區(qū)的電阻，就像剛才那張圖顯示的那樣子。我們這里有一條這樣的公式，叫做硅的高壓MOSFET中，它的器件耐壓與內(nèi)阻有一條經(jīng)驗共識，大白話的講就是這種硅的MOSFET內(nèi)阻與內(nèi)壓的2.5次方程成正比。這會導致一個現(xiàn)象，用硅材料做的MOSFET，它的內(nèi)壓往上漲的時候，內(nèi)阻會漲的非?？?，以至于到高壓場景下，硅材料做出來的MOSFET的經(jīng)濟性很差了，因為那個電阻大的不得了，所以很不好用。然后我們來看看超結(jié)技術(shù)，超結(jié)技術(shù)事實上就是減少了MOSFET漂移區(qū)電阻，它可以使到導成電阻能極大的下降。

來看看下面一個概念什么叫做漂移區(qū)？漂移區(qū)就在圖片中是這個樣子的，它在藍色的區(qū)域，就是我們標出來的漂移區(qū)。剛才我們說的漂移區(qū)電阻是很大的一個比重，先聊聊漂移區(qū)有什么用？有兩個，第一個參與導電，第二個復雜背電壓，第二個是比較關(guān)鍵的，內(nèi)壓是靠電壓背起來的。所以這個區(qū)域為了把電壓背起來，所以它的厚度和濃度都需要做出妥協(xié)。我們看看其中的基本規(guī)律是怎么樣的？這張圖描述了碳化硅材料或者硅材料一樣的，它們背電壓的規(guī)律。這里建立了一個值，就是內(nèi)阻和其他材料的基本屬性的規(guī)律，我們會發(fā)現(xiàn)如果你想背住一定的電壓，那么這個電阻的數(shù)值會與材料的臨界擊穿的3次方成反比。這是什么意思？因為這這個材料的臨界擊穿電場比較強了，電阻就會很低，這時候背住固定的電壓數(shù)值，它的電阻就會比較近。如果我將硅和電壓硅比一比，你就會發(fā)現(xiàn)碳化硅的臨界擊穿電場的強度要比硅要高10倍。這會導致在同樣擊穿電壓，談固化漂移區(qū)的比導電痛點硅要小2000倍以上，這個數(shù)字會非常驚人。這會推出一個結(jié)論，碳化硅MOSFET在高壓場景下的性能非常優(yōu)異，就是因為我用很薄的材料就能背住很高的電壓，然后我身上的電阻還比較小。所以，它來完成背電壓的事情，就會很出色。

然后我們來看看實戰(zhàn)中MOSFET平面山的碳化硅 MOSFET Rdson的構(gòu)成。這里是一個例子，但是這個例子并沒有普通意義，但是會給到一個定性的感覺。就是你可以看出來，1200V的MOSFET，它的電阻構(gòu)成就比較分散了，首先你會看到溝道的電阻比例就不像硅那樣是很小的頻率，是比較高的頻率，打擊可以去到30多、40多都有可能。JFET電阻有一定頻率，另外就是漂移區(qū)和襯底也有一定頻率。這個比例大家可以看出來，跟剛才的硅已經(jīng)有比較大的區(qū)別。

我們現(xiàn)在來聊一下溝道電阻是一個什么樣的表達，這張圖就是MOSFET的溝道電阻的表達式。這個表達式里有幾個數(shù)值，這里它就告訴你溝道的電阻都有什么東西構(gòu)成的。一個是長度LCH，另外一個原包的寬度Wcell，然后這個電子uni和Cox柵極氧化層的電容層，另外就是柵極電壓和柵極門檻，跟這兩個有關(guān)系。從這個示值也能看出有趣的規(guī)律。

因為在高壓硅MOSFET中，溝道占比是非常不顯著的，所以提高門檻GS電壓是不能降低或者根本不顯著。但是，如果在碳化硅MOSFET里情況不一樣，因為碳化硅和這個情況的占比有30%-40%，甚至到50%，所以如果我提高門極電壓，這個影響總電阻的大家就是這個權(quán)重，30%-40%、50%，所以在碳化硅MOSFET里討論GS的電壓，不討論GS的門檻電壓，是能明顯降低Rdson的。所以說，我們在碳化硅MOSFET中，經(jīng)常會有人提到要用高的門極電壓和低的門檻電壓，就是這個原因，它一切都是從為了電阻出發(fā)的。

我們看這里還有一個要素，就是流子遷移率，這個位置有個電阻遷移率，也可以看到電阻遷移率是一個其中一個要素。但是實戰(zhàn)中這個要素影響很大，是能明顯影響碳化硅好和壞的區(qū)別。

首先，這個是關(guān)于MOSFET可靠性難點的話題，有一個問題，這個柵極有一個壽命問題，所以我們要評估它的壽命。方法是外推法，未來會從柵極電壓找出施效的程度，再連線之后就可以預估出20負門級電壓下的水平。

還有一個話題，就是碳化硅MOSFET開關(guān)時的Du/dt的應力，我們說在汽車里將碳化硅MOSFET拿來做電機驅(qū)動，由于碳化硅MOSFETDu/dt水平要比IGBT高得多，所以這個比較高的Du/dt會導致電極的電機層的定子側(cè)繞組里的漆包線，線和線之間的絕緣會有一定電容，而du/dt會使到電容里傳過共模電流。而共模的電流里，事實上會損傷漆包線的壽命。所以，用了碳化硅之后，電機的設(shè)計是需要重新改進的，不然的話電機可能比較早就掛掉了，所以這是一個很實在的問題。

我們再看這個話題，就是叫做碳化硅MOSFET的同步整流模式，因為在過去我們搞電機驅(qū)動的時候，很少使用MOSFET，至少是不典型。那么大部分都是用IGBT，但是IGBT是沒有同步整流模式，它的電流導過來流是傳過二極管的。針對二極管芯片和IGBT芯片大部分是分開的，那么在MOSFET里情況就不一樣了，因為它是有同步整流模式的，也就是說電流在T2關(guān)斷時穿過，MOSFET就會從二極管跑到溝道里去。而這種特征會是一種新的挑戰(zhàn)，然后讓設(shè)計者要做出一定的變化，我們看這個地方，這個地方可以告訴你，碳化硅MOSFET的T2級管的正二向?qū)У奶匦圆⒉粌?yōu)秀。它的壓降比較高，正常情況下是5伏起調(diào)的。所以二極管的打通是不怎么樣的，這個只能在死區(qū)的時間過后，其他時候需要把它趕到溝道里，要不然性能就會很大，就是損耗很高的。

再一個話題就是關(guān)于MOSFET的隔離驅(qū)動器以及共模噪聲，驅(qū)動器的共模噪聲是很大，所以驅(qū)動器能不能做到，對它MOSFET也需要很大，因此隔離芯片的共模移植能力一定要非常好。還有一個是短路能力，MOSFET短路能力是很多需要進行模擬，這是一個我們的實曾結(jié)果。

再看看短路保護，在這里短路保護和以前的IGBT并沒有很大區(qū)別，只是它的允許時間會縮短很多，大概在1.8us-2.3us左右，就比較窄了，所以對嗲路調(diào)試的程度比較高。

我們現(xiàn)在來到模塊里銀燒結(jié)技術(shù)，模塊里它的芯片和頂層是三明治結(jié)構(gòu)，但是連接的方式通常有兩種，一種是焊接，一種是燒結(jié)。焊接就是用焊錫料連接起來，刪節(jié)就是現(xiàn)在聊的銀燒結(jié)將兩個物件連接起來。燒結(jié)料的焊芯其實不怎么優(yōu)秀，很普遍，首先厚度非常厚，它不能特別薄。第二熱導率大約是50W/m*K。燃燒節(jié)在這個問題上有很大改進。

我們現(xiàn)在說一下焊接的缺點：

1.同系溫度過高，機械可靠性不好，因為工作的溫度源極熔點已經(jīng)離的有點近了，所以這個不好，會導致有相變的情況。

2.連接層溫度循環(huán)和功率循環(huán)能力比較弱。因為搞久了，層會裂開，所以焊接比較不好。

我們看看銀燒結(jié)，我們首先把結(jié)論拋出來，形成的連接層所有參數(shù)都占優(yōu)。熱導率，銀燒結(jié)熱導率是220W/m*k，是焊錫料的4倍，它是220，固態(tài)是420，所以即便是燒結(jié)好的蜂窩狀的銀度還很高。第二個是厚度，銀燒結(jié)層厚度只有小于20um，所以很薄，可靠性也有數(shù)量級上的提高，所以差別挺大的。

我們來看看下一個話題，就是MOSFET芯片承載電流時的痛點。碳化硅芯片的電流密度比IGBT高很多，所以IGBT的面積比較大，但是碳化硅MOSFET面積比較小，所以留給鋁線的面積也少了。鋁線的可靠性模塊成為瓶頸，所以成為一個痛點。怎么解決問題？用DTS技術(shù)就可以解決問題，是怎么搞的？就是在芯片上表面要用銅線來干，但是銅線不能直接用，需要用一個緩沖層。這個技術(shù)可以極大的提高電流的密度天花板。

我們看看DTS結(jié)構(gòu)，先看一個樣圖，中間這個是芯片，芯片的上表面有一層銀膏，然后再是緩沖的銅箔，再上銅線，再將它們連在一起。因為銅線很厚，所以它不能直接打到芯片上，中間必須裝備緩沖層，它的目的就是將硬力釋放，可以使用銅線，所以結(jié)構(gòu)是這樣的。芯片的上表面是有銀燒結(jié)，用銀燒結(jié)將緩沖連接起來，然后芯片的下表面也是銀燒結(jié)，所以這是一個雙面銀燒才能完成的工藝。而芯片的下表面銀燒是比較常見的，芯片上表面銀燒結(jié)就得跟DTS技術(shù)配合起來。

然后這是實例，它有幾個好處，第一電流能力就極大的程度提升了。第二個是芯片如果往上跑的話，這種技術(shù)移開了焊錫料，所以它的的天花板也明顯上升了，所以是一項很好的基礎(chǔ)。這是一個實例的照片，可以看出它是鋁線是下面這個圖，DTS供應它的溫升就有很大改善。

下面一個題目是功率模塊中常用的陶瓷材料，通常掏槽材料有三個維度，第一個是絕緣，第二個是導熱，第三個是可靠性。說到陶瓷，通常有三種，氧化鋁、氮化鋁、氮化硅。但是在碳化硅里，會有一個比較明顯的差異。我們說氧化鋁是比較便宜的，但是它的性能很一般。氮化鋁熱導率很出色，但是它有一個缺點就是韌性不是很好。導致在實戰(zhàn)中，還是有一定缺點，在做碳化硅模塊的時候，就發(fā)現(xiàn)氮化硅陶瓷所做成的陶瓷覆銅板中，韌性極好，導致可靠性做的不錯，同時可以做的比較薄。

看看這張圖，說明就是同樣用不同的陶瓷，配合不同的銅厚，陶瓷的厚度和溫度循環(huán)，我們會發(fā)現(xiàn)氮化硅陶瓷形成的陶瓷覆銅融板溫度循環(huán)能力很強，因此在實戰(zhàn)中它的可靠性很不錯。所以，我們來下一個結(jié)論，就是氮化硅陶瓷雖然熱導率比氮化鋁要高，但是它太脆，所以不能做太薄。如果用了氮化硅陶瓷，就可以薄很多，所以如果我們PK熱阻的話，氮化硅陶瓷與氮化鋁是能相當?shù)?，氧化鋁要好很多。如果PK熱容，因為韌性很好，所以可以配合較厚的銅箔。而且銅箔的比較厚的是我們很喜歡用的，所以這是很大的優(yōu)勢。最后我們下一個結(jié)論，就是氮化硅陶瓷是一種非常適合汽車級碳化硅模塊應用的陶瓷材料。

以上就是由我給大家?guī)淼念}目講解，謝謝各位。

（注：本文根據(jù)現(xiàn)場速記整理，未經(jīng)演講嘉賓審閱）

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