SiC、Si、混合功率模块封装对比评估与失效分析

随着SiC器件在新能源发电、电动汽车等领域的快速发展,对定制化、高可靠SiC功率模块的需求日益迫切。然而,现有SiC功率模块大多沿用Si模块的封装技术,存在寄生电感大等问题,无法适应SiC器件的高速开关能力,难以充分发挥SiC器件的优越性能。该文梳理了功率模块的材料选型准则,以及封装工艺方法,给出了自主封装功率模块的测试流程。针对全Si、混合、全SiC功率模块,基于相同的封装技术和测试方法,对比研究了3种功率模块的动态性能和温敏特性,为不同应用需求下的器件选型提供参考。针对全SiC半桥功率模块,提出了开关损耗的数学模型,并利用实验结果验证了其有效性。此外,结合功率模块的大量故障案例建立了数学模型,分析封装失效的机理,为下一代SiC功率模块的封装集成研究提供了有益的经验和思路。     

SiC功率器件的开关特性探究

与Si功率器件相比,SiC功率器件因其阻断电压高、开关频率高和工作温度高的性能特点,显示出广阔的应用前景。本文分析了SiC肖特基二极管和SiC MOSFET的开关特性,重点研究其与Si功率器件的特性与应用差异。设计制作了基于Buck变换器的测试实验样机,分别采用Si功率器件和SiC功率器件进行测试,对测试结果进行了对比分析。实验结果验证了文中分析的开关特性差异,从而为SiC功率器件的优化选择和应用提供了一定依据。     

新型半导体材料SiC

SiC是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，作为Si等半导体材料的重要补充，可制作出性能更加优异的高温（300～500℃）、高频、高功率、高速度、抗辐射器件。SiC高功率、高压器件对于公电输运和电动汽车等节能具有重要意义。Silicon（硅）基器件的发展，未来已没有可突破的空间了，目前研究的方向是SiC（碳化硅）等下一代半导体材料，这种新器件将在今后5～10年内出现，它的出现会产生革命性的影响。     

SiC器件在卫星电源系统中的应用与分析

SiC器件作为宽禁带半导体器件代表,具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高热导率、高电压、高频率和高抗辐照等优越的物理和电气特性,在卫星电源系统中具有巨大的应用潜力。介绍了卫星电源系统发展的现状与趋势,论述了当前国际宇航研究机构对SiC功率器件在卫星电推进系统中应用的研究,并提出SiC器件在卫星中应用的单粒子需求趋势。分析认为SiC功率器件今后的研究重点在于单粒子失效机理的研究、辐照加固工艺完善以及器件改进。     

硅衬底LED芯片主要制造工艺

1993年世界上第一只GaN基蓝色LED问世以来,LED制造技术的发展令人瞩目。目前国际上商品化的GaN基LED均是在蓝宝石衬底或SiC衬底上制造的。但蓝宝石由于硬度高、导电性和导热性差等原因,对后期器件加工和应用带来很多不便,SiC同样存在硬度高且成本昂贵的不足之处,而价格相对便宜的Si衬底由于有着优良的导热导电性能和成熟的器件加工工艺等优势,     

宽禁带功率电子器件及其应用专辑特邀主编述评

正相较于传统的硅器件,基于宽禁带半导体材料的功率电子器件在很多方面都体现出了优越的性能,符合功率变换器高效率、高工作温度及高功率密度的发展需求。近几年来,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)功率器件的制造技术发展迅速,多家公司推出了系列商业化产品,宽禁带功率电子器件及其     

SIC MOSFET在感应加热电源中的应用

目前,感应加热电源技术主要朝着大功率、高频率和智能化控制技术的方向发展。然而,随着逆变开关频率的提高,功率器件的开关损耗随之增加。具有高临界雪崩击穿电场强度、高热导率、小介电常数等突出优点的宽禁带半导体材料SiC MOSFET的应用为这一问题的解决提供了理想的方案。本文详细研究了感应加热电源逆变器的设计、SiC MOSFET器件的驱动电路以及电源的功率扩展等问题;开发出了频率超过800 kHz,单逆变桥功率超过50k W的新型感应加热电源;通过并桥处理,电源单机容量可达200 kW,在一定程度上填补了将新型SiC MOSFET器件应用于感应加热领域的空白。     

“宽禁带功率电子器件及其应用”专辑征文启事

正专辑特邀主编:南京航空航天大学谢少军教授基于宽禁带半导体材料的功率电子器件推动了高效率、高工作温度及高功率密度变换器的发展。相较于传统的硅器件,碳化硅(SiC)器件在很多方面都已体现出了优越的性能,硅基氮化镓(GaN)器件也正逐步成为低成本高性能功率技术解决方案。然而,高频宽禁带功率器件的应用也带来了可靠性及电磁干扰等方面的问题,同时,器件成本也是目前应用中需要考虑的一个问题。近年来,国内外宽禁带功率半导体器件及其应用方面发展迅     

SiC功率器件在Buck电路中的应用研究

近年来,一种新型半导体器件碳化硅(SiC)以其优良的性能逐渐受到人们的关注。介绍了SiC的材料特性及基于SiC的功率开关器件的特性,并对其在Buck电路中的应用进行了探索。主要对SiC器件的特性参数进行分析,并对Buck电路的主功率部分及控制驱动部分进行了设计。通过设计Buck电路并进行仿真实验,验证了理论设计的正确性。实验结果表明,SiC MOSFET器件在高频大电压的应用场合相对于硅(Si)MOSFET器件有着开关损耗低,效率高等优点。     

“宽禁带功率电子器件及其应用”专辑征文启事

正专辑特邀主编:南京航空航天大学谢少军教授基于宽禁带半导体材料的功率电子器件推动了高效率、高工作温度及高功率密度变换器的发展。相较于传统的硅器件,碳化硅(SiC)器件在很多方面都已体现出了优越的性能,硅基氮化镓(GaN)器件也正逐步成为低成本高性能功率技术解决方案。然而,高频宽禁带功率器件的应用也带来了可靠性及电磁干扰等方面的问题,同时,器件成本也是目前应用中需要考虑的一个问题。     

“宽禁带功率电子器件及其应用”专辑征文启事

<正>专辑特邀主编:南京航空航天大学谢少军教授基于宽禁带半导体材料的功率电子器件推动了高效率、高工作温度及高功率密度变换器的发展。相较于传统的硅器件,碳化硅(SiC)器件在很多方面都已体现出了优越的性能,硅基氮化镓(GaN)器件也正逐步成为低成本高性能功率技术解决方案。然而,高频宽禁带功率器件的应用也带来了可靠性及电磁干扰等方面的问题,同时,器件成本也是目前应用中需要考虑的一个问题。近年来,国内外宽禁带功率半导体器件及其应用方面发展迅     

“宽禁带功率电子器件及其应用”专辑征文启事

<正>基于宽禁带半导体材料的功率电子器件推动了高效率、高工作温度及高功率密度变换器的发展。相较于传统的硅器件,碳化硅(SiC)器件在很多方面都已体现出了优越的性能,硅基氮化镓(GAN)器件也正逐步成为低成本高性能功率技术解决方案。然而,高频宽禁带功率器件的应用也带来了可靠性及电磁干扰等方面的问题,同时,器件成本也是目前应用中需要考虑的一个问题。近年来,国内外宽禁带功率半导体器件及其应用方面发展迅速。为了更好地推动宽禁带功率电子器件的应用,《电源学报》拟出     

六英寸Si基GaN功率电子材料及器件的制备与研究

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的代表,具有优异的材料物理特性,更加适合于下一代电力电子系统对功率开关器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣工作温度的要求。为了兼容Si基CMOS工艺流程,以及考虑到大尺寸、低成本等优势,在Si衬底上进行GaN材料的异质外延及器件制备已经成为业界主要技术路线。详细介绍了在6英寸Si衬底上外延生长的AlGaN/GaN HEMT结构功率电子材料,以及基于6英寸CMOS产线制造Si基GaN功率MIS-HEMT和常关型Cascode GaN器件的相关成果。     

基于SiC器件的感应电机驱动器设计及性能分析

对于感应电机系统而言,功率器件的开关频率是制约其电流环带宽的重要因素之一.传统硅基器件受开关损耗等因素的限制,开关频率已经接近瓶颈.碳化硅(SiC)器件作为第三代半导体器件,具有低损耗、高耐温、高开关速度等优良特性,可以大幅提高功率变换器的开关频率.针对SiC器件电机驱动器进行了设计与研究,首先分析了PWM延时对于电机...     

SiC MOSFET开关特性及驱动电路的设计

与硅(Si)功率器件相比,碳化硅(SiC)功率器件的掺杂浓度更高,禁带更宽,在高电压下导通阻抗更小,因此应用于大功率场合可以提高开关频率,减小变换器体积重量。根据SiC MOSFET的开关特性,设计了一种SiC MOSFET的驱动电路,采用双脉冲电路对其开关时间、开关损耗等进行了实验测量,分析了不同阻值驱动电阻对SiC MOSFET模块开关时间和开关损耗的影响。     

SiC混合IGBT在下一代地铁列车中的应用研究

碳化硅(SiC)混合绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率器件具有高频、高效率、高功率、耐高温、抗辐射等优点。以下一代地铁列车为目标,对SiC混合IGBT功率器件与普通IGBT功率器件在通态损耗、开关损耗、总损耗等方面进行了研究,提出了下一代地铁列车采用SiC混合IGBT功率器件后的调制方式,并进行了研究。实验结果表明,与普通IGBT相比,SiC混合IGBT的功耗约减小30%,开关频率的提高也有效降低了输出谐波,减小了电机脉动转矩,从而使整个系统的效率得到大幅提高。     

SiC IGBT正向导通特性研究

SiC绝缘栅双极型晶体管(IGBT)兼具了导通损耗低、开关频率高的显著优势,已成为下一代高压开关器件的重点研究对象。然而,由于高质量的SiC衬底、外延材料制备不易,器件机理及工艺流程较为复杂,研究开发过程比较缓慢。通过针对性的器件物理建模,在此基于Silvaco软件完成了器件的正向导通特性仿真,分析了缓冲层及结型场效应晶体管(JFET)区对器件正向性能的影响,并基于以上结果进行了实际流片,测试结果基本符合理论预期。     

基于双脉冲实验的SiC与IGBT特性对比研究

SiC功率器件的应用要求对SiC半导体器件本身结构性能及工作特性等有系统认识和研究,其相关工作在国内才刚起步。通过搭建双脉冲实验平台,对SiC功率器件驱动工作特性进行实验研究,进行双脉冲测试,实现530 A大电流驱动关断实验。与IGBT模块的双脉冲测试结果对比,SiC功率器件比IGBT器件开关速度更快,开关损耗更小,续流管反向特性好,反向恢复电流更小。此外,针对SiC功率器件关断时的涌浪电压问题,采用纯C吸收电路可有效抑制涌浪电压,降低器件的关断损耗。     

GaN基电力电子器件关键技术的进展

氮化镓GaN(gallium nitride)材料非常适合应用于高频、高功率、高压的电子电力器件当中。目前,GaN功率电子器件技术方案主要分为Si衬底上横向结构器件和Ga N自支撑衬底上垂直结构器件2种。其中,横向结构器件由于制造成本低且有良好的互补金属-氧化物-半导体CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor)工艺兼容性已逐步实现产业化,但是存在材料缺陷多、常关型难实现、高耐压困难以及电流崩塌效应等问题;垂直结构器件能够在不增大芯片尺寸的条件下实现高击穿电压,具有非常广阔的市场前景,也面临着材料生长、器件结构设计和可靠性等方面的挑战。基于此,主要针对这两种器件综述介绍并进行了展望。     

3 300 V SiC MOSFET栅氧可靠性研究

碳化硅SiC(silicon carbide)功率器件因其卓越的材料性能,表现出巨大的应用前景,其中金属-氧化物-场效应晶体管MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)是最重要的器件。3 300 V SiC MOSFET可应用于轨道交通和智能电网等大功率领域,能显著提高效率,降低装置体积。在这些应用领域中,对功率器件的可靠性要求很高,为此,针对自主研制的3 300 V SiC MOSFET开展栅氧可靠性研究。首先,按照常规的评估技术对其进行了高温栅偏HTGB(high temperature gate bias)试验;其次,针对高压SiC MOSFET的特点进行了漏源反偏时栅氧电热应力的研究。试验结果表明,在高压SiC MOSFET中,漏源反偏时栅氧的电热应力较大,在设计及使用时应尤为注意。