碳化硅模塊以及難點(diǎn)解析

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）幾乎與電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)同步，碳化硅器件的發(fā)展也在近十多年間高速發(fā)展。作為第三代半導(dǎo)體，采用碳化硅材料所制造的半導(dǎo)體器件在電氣特性上的優(yōu)異表現(xiàn)，讓它在電動(dòng)汽車應(yīng)用上受到了業(yè)界關(guān)注，隨著市場對(duì)電動(dòng)汽車長續(xù)航、高壓電氣架構(gòu)、快充等需求，碳化硅正在電動(dòng)汽車上加速普及。

近幾年可以看到國內(nèi)多家廠商，包括整車廠、功率器件廠商等都在陸續(xù)推出車規(guī)級(jí)碳化硅功率模塊產(chǎn)品，同時(shí)也有國內(nèi)廠商推出車規(guī)碳化硅MOSFET產(chǎn)品，那么碳化硅模塊與碳化硅MOSFET有什么區(qū)別？

碳化硅模塊和碳化硅MOSFET的區(qū)別

一般我們說碳化硅MOSFET的時(shí)候是指碳化硅MOSFET單管，即將碳化硅MOSFET芯片封裝在一個(gè)獨(dú)立的封裝中，比如典型的TO-220、TO-247封裝。碳化硅MOSFET單管通常有三個(gè)引腳，分別對(duì)應(yīng)輸出端的Drain（漏極）、輸入端的Source（源極）和控制端的Gate（柵極）。

而當(dāng)應(yīng)用在大電流電路中時(shí)，出于對(duì)損耗以及散熱性能的要求，由多個(gè)單管、二極管等元件封裝在一起形成模塊的產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。碳化硅模塊又分為碳化硅MOSFET +碳化硅SBD構(gòu)成，以及只由多個(gè)碳化硅單管構(gòu)成的模塊兩種，而常用的結(jié)構(gòu)又有H橋、半橋、全橋等。

圖源：賽米控

根據(jù)賽米控的數(shù)據(jù)，采用全碳化硅模塊在最大開關(guān)頻率下能夠最多相比同規(guī)格硅基IGBT功率模塊降低85%的開關(guān)損耗。而即使相比碳化硅MOSFET單管，碳化硅模塊的工作效率也由于在封裝中的寄生電感更低，開關(guān)損耗更低，因此工作效率、工作開關(guān)頻率更高，可以幫助減少無源器件的尺寸，以及整體模塊的尺寸。

不過，在前面提到碳化硅模塊的兩種形式之外，也有車企以及電控供應(yīng)商采用單管并聯(lián)的方案來設(shè)計(jì)功率模塊。比如第一款大規(guī)模應(yīng)用碳化硅功率器件的電動(dòng)車型特斯拉Model 3上，采用了一種名為TPAK的封裝模塊并聯(lián)，在主驅(qū)逆變器功率模塊上共有24顆TPAK，采用單管并聯(lián)的方式排列，每顆TPAK封裝中有兩顆碳化硅MOSFET芯片，功率模塊整體有共48顆碳化硅MOSFET。

另外陽光電源此前推出的雙電機(jī)控制器中也采用了并聯(lián)TPAK的方案，并兼容硅基以及碳化硅基功率半導(dǎo)體。

碳化硅模塊的主要難點(diǎn)

碳化硅模塊主要難點(diǎn)可以分為兩大方面，一是引線鍵合、二是散熱。

引線鍵合是在一種在封裝中將多個(gè)器件之間進(jìn)行互連的方式，一般使用細(xì)金屬線，利用熱、壓力、超聲波等使金屬引線與基板焊盤緊密焊合，但在模塊中復(fù)雜的互聯(lián)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的寄生電容或寄生電感。由于碳化硅器件具有高頻特性、柵極電荷低、開關(guān)速度快等特性，在實(shí)際應(yīng)用中容易出現(xiàn)電壓過沖和振蕩現(xiàn)象，造成器件電壓應(yīng)力、損耗增加和電磁干擾等問題。

因此在互連方面，目前正在從傳統(tǒng)的鋁線鍵合以及超聲焊接，逐步轉(zhuǎn)向鋁包銅線、銅線鍵合等方式，同時(shí)引線框架也采用銀燒結(jié)技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉛/錫合金焊。

在散熱方面，盡管碳化硅器件可以工作在更高的溫度，理論最高工作溫度可以超過500℃，但與此同時(shí)碳化硅功率模塊在相同功率等級(jí)下體積大幅降低，也就是功率密度較高，因此對(duì)散熱的要求其實(shí)反而更高了。即使是耐熱性能較好的碳化硅器件，在工作溫度過高的情況下也會(huì)造成性能下降，加上封裝材料的熱膨脹系數(shù)失配等，容易造成可靠性隱患。

所以目前在碳化硅模塊散熱上，通過優(yōu)化傳熱距離以及傳熱面積的封裝，來提高散熱性能，比如通過雙面散熱、降低結(jié)構(gòu)層數(shù)等方式來提升散熱效率。

小結(jié)：

隨著碳化硅模塊產(chǎn)品大規(guī)模落地，新能源汽車應(yīng)用案例的增多，碳化硅模塊會(huì)在不久的將來成為電動(dòng)汽車的標(biāo)配。