碳化硅IGBT絕緣襯底材料

目前，碳化硅（SiC）這種半導體材料因其在電力電子應用中的出色表現(xiàn)引起了廣泛的關注。對晶圓和器件的研究在近年來已經取得很大進展。

碳化硅是一種寬禁帶（WBG）半導體材料。禁帶通常是指價帶和導帶之間的電子伏（eV）能差。價電子和原子結合形成傳導電子需要這種能量，而這種傳導電子可在晶格中自由移動，并可作為電荷載子導電。絕緣體擁有極高的禁帶寬度，通常要高于4eV。

兩者均為半導體材料，但碳化硅的性能明顯優(yōu)于硅材料（Si），如表1所示

表1：碳化硅與硅的性質

碳化硅的禁帶寬度是硅材料的3倍，擊穿電場的大小則是后者的10倍。這意味著，在相同的閉塞電壓下，碳化硅器件的漂移區(qū)域間隔可以減少至硅器件的十分之一。此外，就漂移區(qū)域的摻雜濃度而言，碳化硅器件比硅器件高100倍。大部分高阻塞電壓功率器件的導通電阻都是漂移區(qū)電阻。因此，在相同的閉塞電壓下，碳化硅器件的導通電阻（RDSon）是硅功率器件的千分之一。

碳化硅的電子漂移速度是硅材料的兩倍左右。此外，在相同的閉塞電壓下，碳化硅器件的漂移距離比硅器件要短。所有這些特性都表明，與硅器件相比，碳化硅器件可在更高的開關頻率下工作。

最后，碳化硅的熱導率是硅材料的三倍左右。此外，碳化硅的半導體固有溫度遠高于1000°C。因此，在高溫環(huán)境下，碳化硅器件的穩(wěn)定性要優(yōu)于硅器件。

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對市場和應用的影響

與硅器件相比，碳化硅器件擁有更低的運行損耗、更快的開關速度和更出色的高溫工作穩(wěn)定性。這些特征能帶來許多系統(tǒng)優(yōu)勢，對于下一代電源模塊很有吸引力。

高溫穩(wěn)定性意味著碳化硅不僅可以在更高的溫度下工作，而且還可以經受住不時出現(xiàn)的溫峰（取決于任務要求）。此外，更高的開關頻率能夠減少產品的大小和重量，因為笨重的磁性組件被換成外形更小的元件。最后，更快的開關時間和更低的導通電阻能夠減少開關和傳導損耗，進而提高系統(tǒng)效率。

即使碳化硅屬于價格（更）高的組件，系統(tǒng)成本通常也能得到降低。但這需要進行詳盡的調查，因為碳化硅對所有常用的電力電子應用而言情況不同。Power America和歐洲電力電子中心（ECPE）等組織發(fā)布了寬禁帶路線圖，表明了基于碳化硅的電源模塊的主要市場和應用場景。光伏逆變器、不間斷電源（UPS）和電動汽車的逆變器可在短期內從碳化硅中獲利，而高電壓應用的實現(xiàn)還需要一定時間。

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封裝是一個限制因素

有了碳化硅器件后，應用不僅能夠實現(xiàn)顯著的效率改進，而且能夠降低體積和重量。前提是，將該器件整合入應用的過程并不會抵消這些優(yōu)點。因此，作為第一步，封裝方面需要特別注意。

前面說過，每塊芯片的開關和傳導損耗將會極大地減少，而芯片面積也會繼續(xù)縮小。最后，功率損耗的密度將會增加，從而必須仔細選擇封裝方式以解決較高的散熱需求。此外，器件能夠在更高的結溫下工作，而溫升還會增加。因此，對于高溫穩(wěn)定性、冷卻和可靠性的要求將會更加嚴苛，必須根據情況選擇模塊外殼、器件連接、散熱底板和散熱所用的封裝材料。模塊外殼的新材料可能需要滿足高工作溫度的要求?；ヂ?lián)器件的新技術將代替?zhèn)鹘y(tǒng)笨重的鋁線。現(xiàn)在，在氮化硅活性金屬釬焊（Si3N4 AMB）基板上銀燒結模具能夠更好地解決這些冷卻和可靠性問題。我們也可以期待一些采用厚銅層、低熱阻和綜合散熱器的創(chuàng)新解決方案，以優(yōu)化熱容、熱擴散以及從芯片到冷卻劑散熱距離。

除上述挑戰(zhàn)外，碳化硅快切器件還可能出現(xiàn)一些電氣方面的問題。在斷開閉鎖模式這一極短的開關時間中，電壓的下降會產生電流斜率，進而導致明顯的過電壓和振蕩。放慢器件的速度并不是一個明智的選擇。這種問題可通過電源模塊內或附近的低電感電流解決。短路環(huán)、相反平面中的電流以及多條對稱的電流路徑是在設計電源模塊、直流基板（包括電容）及其連接時必須考慮的基本要素。另一個問題與交流電和地面間的電容耦合有關。當開關速度極快時，這一耦合就成為了系統(tǒng)的關鍵，因為其會產生極高的電磁干擾。同樣地，電源模塊的巧妙設計能夠盡量減少這一影響。

最后，成本或將成為碳化硅器件推廣面臨的最大挑戰(zhàn)。雖然這些器件價格高昂，但它們能夠大幅降低成本。但是，由于這些器件會影響系統(tǒng)成本，我們必須盡可能地在滿足要求的情況下，減少所用的器件數(shù)量。因此，需要熱管理解決方案在縮小芯片面積的同時，最大化緊湊輕巧封裝的輸出功率。

IGBT芯片是IGBT器件的主要部分，通常由硅制成。它由四個區(qū)域組成：N+型集電極、P型漏極、N型溝道和P+型柵極。IGBT芯片中使用的重要技術是溝道控制、載流子注入和處理高電壓的結構設計。IGBT芯片集IGBT的驅動電路、控制電路、保護電路于一體。

圖示：IGBT基本結構

那為什么不使用SiC來制造IGBT呢？那就要從SiC本身的特性開始說起~

優(yōu)點：耐高溫、高壓、損耗低，用在高壓大功率的應用中再合適不過了。

缺點：存在很多技術問題，包括周期時間、成本預算、器件良品率不一致等。

圖示：SiC性能五屬性比較

著重要聲明的是，SiC其實是可以做IGBT的，而我們看不到的原因是：因制備成本太高，且性能“過?！保虼嗽诖蠖鄶?shù)應用場合都“毫無競爭力”，因此目前無存活空間，所以你就基本看不到商業(yè)化的SiC IGBT了。

Si材料的Mosfet存在一個問題，即耐受電壓能力高了芯片就會相應地變厚，導通損耗也就很高，所以硅材料的Mosfet一般只能做低壓器件。

SiC是一種寬禁帶半導體材料，可以做到很高的耐壓下芯片還很薄，而現(xiàn)在SiC的Mosfet可以做到6500V耐壓，已經能覆蓋現(xiàn)在的IGBT耐壓水平了，且Mosfet的芯片結構比IGBT簡單，所以目前沒有必要用SiC來做IGBT浪費成本。除非以后需要10kV級別的器件才有可能考慮SiC的IGBT。

不過其實SiC IGBT已經有了，但是只是在高耐壓開關的場合小范圍內使用，例如某些換流站和牽引站，目前還沒有大規(guī)模的推廣碳化硅的IGBT。

未來是否會大規(guī)模的使用SiC來做IGBT呢？

目前全球都對碳化硅寄予厚望，認為SiC是一種具有巨大潛力和優(yōu)勢的半導體材料，可以用于高壓大功率領域，提高電力電子技術的效率和密度。也是一種戰(zhàn)略性新材料，對于提升國家科技實力和能源安全有重要意義。

國際上有很多公司和機構在研究和開發(fā)SiC器件和應用，如Infineon, Creei, Rohm, STMicroelectronics等。國內如中科院半導體所、中電科、中電49所、中微半導體、華大半導體等。但是想用MOSFET完全取代IGBT并沒有明確的肯定答案。分析下MOSFET和IGBT各自的優(yōu)缺點就可知道原因。MOSFET可以取代低壓低電流的IGBT，因為MOSFET有更低的導通損耗和更快的開關速度。但是MOSFET不能取代高壓高電流的IGBT，因為MOSFET的耐壓能力和電流承受能力都比IGBT低，而且MOSFET的導通損耗會隨著電壓和電流的增加而急劇增加。IGBT可以取代大部分的MOSFET，但是這樣做可能會造成性能的浪費和成本的增加，因為IGBT有更高的導通壓降和更慢的開關速度。

絕緣襯底主要是作為半導體芯片的底座，同時會在絕緣襯底上沉積導電材料、絕緣材料和阻性材料，還能形成無源的元器件。作為功率模塊機械支撐的結構，需要能夠耐受不同的工作環(huán)境，并且需要有足夠的熱導率將芯片等產生的熱量快速傳遞出去。并且，一些后續(xù)的工藝，如薄膜，綁定，間距等等，需要絕緣襯底能夠擁有一個較為合理的平整度。

功率模塊的襯底選擇標準

電氣特性

高體電阻率：＞1012Ω/cm

高介電強度：＞200V/mil (1mil=0.0254mm)

低介電常數(shù)：＜15

熱特性

高導熱率：有效熱傳導＞30W/m·K

與半導體芯片的熱膨脹系數(shù)較為匹配：一般選擇在

2~6×10-6/℃

高耐溫：一般能夠滿足后續(xù)加工工藝的最大溫度

機械特性

高抗拉強度：＞200MPa

高抗彎強度：＞200MPa

硬度較合理

機械可加工性：易于磨削、拋光、切削和鉆孔等

可金屬化：適用于較為常見的金屬化技術，如薄膜和厚膜工藝、電鍍銅等等，這段我們下篇聊

化學特性

耐酸、堿及其他工藝溶液的腐蝕

低吸水率、空隙小

無毒性

不會等離子化

密度

低密度：機械沖擊能夠最小化

成熟度

技術較為成熟

材料供應能夠滿足

成本盡可能低，（說性價比高更為合適，畢竟不同的應用所能容許的成本高低不同）

目前幾種適用于功率半導體器件應用的絕緣襯底材料有下面幾種：

?陶瓷材料（3種）：Al2O3(96%,99%)、AlN、BeO

?硅基襯底：Si3N4

其中屬氧化鋁較為常見，不過在功率半導體芯片等框架確定時，一些供應商會通過改變模塊中的其他成分，來達到要求，所以AlN和Si3N4也算常見。下面，我們來聊聊這幾種絕緣襯底材料的優(yōu)劣。

一、氧化鋁（Al2O3）

優(yōu)勢：

是絕緣襯底最為常用的材料，工藝相對較為成熟；成本較低；性能能夠滿足我們上述的要求；

劣勢：

導熱系數(shù)較低，熱膨脹系數(shù)(6.0~7.2×10-6/℃)與半導體芯片(Si基的一般為2.8×10-6/℃)的熱膨脹系數(shù)不算太匹配；高介電常數(shù)；抗酸性腐蝕性能一般；

所以，氧化鋁適用于中、低功率器件；適合高壓和低成本器件；適用于密封封裝；99%的氧化鋁性價比更高一些。

二、氮化鋁（AlN）

優(yōu)勢：

熱導率高，約為Al2O3的6倍，較為適合大功率半導體器件的應用；AlN的熱膨脹系數(shù)為4.6×10-6/℃，較為匹配芯片；性能同樣滿足我們上述的要求；

劣勢：

是一種較新的材料，但與氧化鋁和氧化鈹相比工藝還不算成熟；在其表面直接敷銅的難度較大，易發(fā)生熱疲勞失效；成本約為氧化鋁的4倍；并且在較高溫度和較大濕度下可能會分解為水合氧化鋁；

適合大功率半導體器件的理想襯底之一，由于其機械斷裂強度一般，應用時需要合金屬底板配合使用。

三、氧化鈹（BeO）

優(yōu)勢：

極其優(yōu)異的熱導率，約為Al2O3的8倍；同樣適合大功率半導體器件的應用；工藝成熟；

劣勢：

無論是固態(tài)粉末還是氣態(tài)都是有毒性的；熱膨脹系數(shù)相對較大，約為7.0×10-6/℃；機械強度較差，只有Al2O3的60%左右；成本是氧化鋁的5倍；

有毒性大大限制了這種材料的使用。

四、氮化硅（Si3N4）

優(yōu)勢：

熱膨脹系數(shù)約為3.0×10-6/℃，與半導體芯片較為接近；機械性能優(yōu)越：是Al2O3和AlN的2倍以上，是BeO的3倍；熱導率高，是Al2O3的2.5倍；適合大功率半導體的應用；高溫強度高，抗熱震性優(yōu)良；

劣勢：

技術相對還沒有那么成熟，所以供應商也相對有限；不適合酸性環(huán)境下的應用；成本是Al2O3的2~2.5倍；

對于大功率半導體器件的應用來說，Si3N4應該是目前最優(yōu)的襯底材料，CTE和熱導率較為優(yōu)勢，可靠性也較高。

以上4種絕緣襯底，最常見的氧化鋁，最不常見的氧化鈹，以及較為優(yōu)異的碳化硅，很多廠家都在針對不同的應用來搭配不同的絕緣襯底，這一點能夠在芯片技術發(fā)展的同時，間接地更大效率地發(fā)揮已有芯片的性能。