1200 V/480 A全SiC功率模块

<正>面向工业电源、太阳能发电及不间断电源等领域的逆变器和转换器应用,扬州国扬电子有限公司采用自主知识产权的低电感封装结构,通过高对称性多电流通道设计方法,实现了多并联芯片的寄生参数一致性,突破了超声波金属焊接工艺技术、铜引线键合技术、大尺寸焊层厚度控制技术、端子应力缓冲结构设计等关键技术,研制出2款低电感高可靠的1 200V/480 A的全SiC功率模块"WCC480B120E53、     

S波段连续波SiC功率MESFET

利用国产SiC外延材料和自主开发的SiC器件工艺加工技术,实现了SiC微波功率器件在S波段连续波功率输出大于10W、功率增益大于9dB、功率附加效率不低于35%的性能样管,初步显现了SiC器件在S波段连续波大功率、高增益方面的优势。与以往的硅微波功率器件相比,在同样的频率和输出功率下,SiC微波功率器件的体积不到Si器件的1/7,重量不到Si器件的20%,其功率增益较Si器件提高了3dB以上,器件效率也得到了相应的提高。同时由于SiC微波功率器件的输入、输出阻抗要明显高于Si微波功率器件,在一定程度上可以简化或不用内匹配网络来得到比较高的微波功率增益,这就为器件的小体积、低重量奠定了基础,也为器件的大功率输出创造了条件。     

绝缘体上硅功率半导体单芯片集成技术

利用单芯片集成技术制造的智能功率芯片具有体积小、寄生小、损耗低等方面的优势，其技术难度远高于传统的多芯片、单封装形式的智能功率模块.本文首先介绍了单片智能功率芯片的架构与技术需求；然后，探讨了绝缘体上硅功率半导体单芯片集成的工艺流程和器件类型；接着，总结了高压横向IGBT器件技术、续流二极管器件技术、LDMOS器件技术的特征和效果；此外，还讨论了单片智能功率芯片的相关可靠性问题，包括高压互连线效应和低温雪崩不稳定.本课题组在功率半导体集成型器件的电流能力、关断速度、短路承受能力、反向恢复峰值电流、安全工作区、高压互连线屏蔽、低温可靠性等关键特性优化或可靠性提升方面进行了自主创新，构建了基于绝缘体上硅的功率半导体单芯片集成技术，并成功研制了单片智能功率芯片.     

寄生电感对碳化硅MOSFET开关特性的影响

相比于传统的Si IGBT功率器件而言,碳化硅MOSFET可达到更高的开关频率、更高的工作温度以及更低的功率损耗.然而,快速的暂态过程使开关性能对回路的寄生参数更加敏感.因此,为了评估寄生电感对碳化硅MOSFET开关性能的影响,基于回路电感的概念,将栅极回路寄生电感、功率回路寄生电感以及共源极寄生电感等效成3个集总电感,并且从关断过电压、开通过电流及开关损耗等3个方面,对这3个电感对SiC MOSFET开关性能的影响进行了系统的对比研究.研究表明:共源极寄生电感对开关的影响最大,功率回路寄生电感次之,而栅极回路寄生电感影响最小.最后,基于实验分析结果,为高速开关电路的布局提出了一些值得借鉴的意见.     

SiC MOSFET并联动态电流不均衡的无源补偿策略

SiC MOSFET分立器件的并联结构已在中大功率应用中广泛使用,为了充分利用并联的优势,需解决并联动态电流不均衡问题.在SiC MOSFET特性参数中,阈值电压是影响并联动态均流特性最主要的参数.通过建立SiC MOSFET双管并联的电路模型,探究了并联动态电流不均衡的补偿策略,推导了阈值电压对SiC MOSFET开关管动态均流程度影响的公式.建立了含寄生电感的双管并联电路模型,提出了两种双管并联动态电流不均衡的无源补偿策略,即基于共源极寄生电感的补偿策略以及基于开尔文源极电感和功率源极寄生电感并联的补偿策略.通过仿真比较了两种无源补偿策略下的开关总损耗.最后,优化了基于开尔文源极电感和功率源极寄生电感并联的补偿策略,并通过双脉冲实验验证了此并联补偿策略下的动态均流效果.     

硅通孔互连技术的开发与应用

随着三维叠层封装、MEMS封装、垂直集成传感器阵列以及台面MOS功率器件倒装焊技术的开发,硅通孔互连技术正在受到越来越广泛的重视和研究。文中叙述了几种硅通孔互连技术的制造方法,以及它们在三维封装、MEMS封装、高密度硅基板、垂直集成传感器阵列和台面MOS功率器件等方面的应用。最后,进一步阐述了硅通孔互连中几项关键技术的研究现状以及存在的挑战。     

6.5 kV SiC MOSFET的优化及开关特性

优化设计了电力系统用6.5 kV SiC MOSFET,测得该器件的导通电流为25 A,阻断电压为6 800 V,器件的巴利加优值(BFOM)达到925 MW/cm²。基于感性负载测试电路测试了器件的高压开关瞬态波形。在此基础上,借助仿真软件构建6.5 kV SiC MOSFET芯片级和器件级仿真模型,通过改变器件元胞结构、阱区掺杂浓度、栅极电阻、寄生电感等参数,研究了6.5 kV SiC MOSFET开关瞬态过程和电学振荡影响因素。结果表明,减小结型场效应晶体管(JFET)宽度有利于提高器件dV/dt能力,而源极寄生电感和栅极电阻是引起栅极电压振荡的重要因素。研究结果有助于分析研究6.5 kV SiC MOSFET在智能电网应用中的开关特性,使得基于SiC MOSFET的功率变换器系统具有更低的损耗、更高的频率和更高的可靠性。     

高温SOI技术的发展现状和前景

高温绝缘层上硅（SOI）技术突破了体硅半导体器件的高温困境,已被广泛应用于石油天然气钻探、航空航天和国防装备等尖端领域。近年来,第三代宽禁带半导体功率器件已日趋成熟和普及,其中SiC器件以其先天的耐高压、耐高温等特性,与高温SOI器件是非常理想的搭配,适用于原本体硅半导体功率器件难以实现或根本不能想象的应用场景,为系统应用设计者提供了全新的拓展空间。在简述体硅半导体器件高温困境的基础上,综述了高温SOI技术的发展现况,并探讨了其未来的发展方向和应用前景。     

MOSFET器件引线键合技术

MOSFET器件由于高阻抗、低功耗等特点,在电脑电源、家用电器和自动控制系统等方面得到广泛应用。但由于其芯片结构的特殊性,在封装制造过程中容易受到静电、应力、环境条件等多种因素的影响。引线键合过程是影响封装成品率的关键工艺环节。引线键合是电子工程互连的重要方式,MOSFET器件通常采用超声键合的工艺进行引线互连。影响引线键合质量的因素较多,其中引线键合工艺、引线材料和设备维护是最重要的三个因素。通过实际生产过程的试验、分析和提炼,研究引线键合技术,总结了引线键合工艺、引线材料和设备维护三个方面的实践经验,为提升和稳定封装成品率提供参考。     

硅通孔互连技术的开发与应用

随着三维叠层封装、MEMS封装、垂直集成传感器阵列以及台面MOS功率器件倒装焊技术的开发,硅通孔互连技术正在受到越来越广泛的重视和研究。本文叙述了几种硅通孔互连的制造方法,及其应用。最后,进一步阐述了硅通孔互连中几项关键技术的研究现状以及存在的挑战。     

一种优异温度稳定性Ka波段上变频放大模块

研究了Ka波段变频放大电路的设计及其温度补偿技术,分析了上变频放大模块的基本原理,分别对射频增益及检波电压进行了温度补偿,提出了一种优异温度稳定性、高线性度、高增益稳定性的总体设计方案。该变频放大模块由放大电路、温补电路、混频电路、滤波电路及功率放大器等单元电路组成。运用Agilent ADS软件完成了模块的整体电路设计。同时,介绍了一种基于场仿真软件和实测相结合的方法,建立毫米波多芯片组件中互连的键合线模型,将键合线的寄生电感融入了上变频放大模块电路设计中,显著提高键合线互连电路的频率响应。采用多芯片组装工艺制作了高性能的变频放大模块,实现了在Ka波段输出功率＞于30.6 dBm,全温范围功率波动＜0.8 dB,全温检波电压指示波动＜0.2 V,测试结果与仿真结果一致。     

SiC电力电子器件对电力系统的影响

宽禁带SiC材料被认为是高性能电力电子器件的理想材料,比较了Si和SiC材料的电力电子器件在击穿电场强度、稳定性和开关速度等方面的区别,着重分析了以SiC器件为功率开关的电力电子装置对电力系统中柔性交流输电系统(FACTS)、高压直流输电(HVDC)装置、新能源技术和微电网技术领域的影响。分析表明,SiC电力电子器件具有耐高压、耐高温、开关频率高、损耗小、动态性能优良等特点,在较高电压等级(高于3 kV)或对电力电子装置性能有更高要求的场合,具有良好的应用前景。     

Inductance-controlled electroabsorption Modulator modules using the flip-chip bonding technique

The wire-bonding technique is widely used for the connections between the electroabsorption (EA) modulator chips and the electrical signal transmission lines. However, the parasitic inductance of the bonding wire degrades the electrical characteristics of the EA modulator modules in a high-frequency region. In this paper, we theoretically analyze the influence of parasitic inductance on the base-band digital transmission and obtain the relationship between the EA modulator capacitance and the optimum lead inductance. For precise inductance control, we introduced the flip-chip bonding (FCB) technique and fabricated 40-Gb/s EA modulator modules.     

3300V碳化硅肖特基二极管及混合功率模块研制

基于数值仿真结果,采用结势垒肖特基(JBS)结构和多重场限环终端结构实现了3 300 V/50 A 4H-SiC肖特基二极管(SBD),所用4H-SiC外延材料厚度为35 μm、n型掺杂浓度为2× 1015cm-3.二极管芯片面积为49 mm2,正向电压2.2V下电流达到50 A,比导通电阻13.7 mΩ· cm2;反偏条件下器件的雪崩击穿电压为4 600 V.基于这种3 300 V/50 A 4H-SiC肖特基二极管,研制出3 300 V/600 A混合功率模块,该模块包含24只3 300 V/50 A Si IGBT与12只3 300 V/50 A 4H-SiC肖特基二极管,SiC肖特基二极管为模块的续流二极管.模块的动态测试结果为:反向恢复峰值电流为33.75 A,反向恢复电荷为0.807 μC,反向恢复时间为41 ns.与传统的Si基IGBT模块相比,该混合功率模块显著降低了器件开关过程中的能量损耗.     

SiC新一代电力电子学的创新发展

进入21世纪,宽禁带半导体材料的发展对电力电子学产生了革命性的影响,SiC新一代电力电子学应运而生.从高频高效率开关应用、高功率密度、高压变换、高温工作、热管理和可靠性研究等方面介绍了近几年SiC电力电子学的应用创新.应用创新的内容包含:电路拓扑结构设计、优化设计方法、SiC功率器件和先进高频无源元件的采用、寄生参量的抑制、驱动电路设计、高温粘结与封装工艺、新冷却方法和极端工作条件的可靠性试验方法等.对SiC电力电子学的应用创新进行了综合评价.     

Power module stray inductance extraction: Theoretical and experimental analysis

We propose a stray inductance extraction method on power modules of the few-kilovolts/several-hundred-amperes class using only low voltages and low currents. The method incorporates a double-pulse generator, a level shifter, a switching device, and a load inductor. The conventional approach generally requires a high voltage of more than half the power module's rated voltage and a high current of around half the rated current. In contrast, the proposed method requires a low voltage and low current environment regardless of the power module's rated voltage because the module is measured in a turn-off state. Both theoretical and experimental results are provided. A physical circuit board was fabricated, and the method was applied to three commercial power modules with EconoDUAL3 cases. The obtained stray inductance values differed from the manufacturer-provided values by less than 1.65 nH, thus demonstrating the method's accuracy. The greatest advantage of the proposed approach is that high voltages or high currents are not required.     

SiC电力电子器件研究现状及新进展

由于硅材料本身的限制,传统硅电力电子器件性能已经接近其极限,碳化硅(SiC)器件的高功率、高效率、耐高温、抗辐照等优势逐渐突显,成为电力电子器件一个新的发展方向.综述了SiC材料、SiC电力电子器件、SiC模块及关键工艺的研究现状,重点从材料、器件结构、制备工艺等方面阐述了SiC二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、结晶型场效应晶体管(JFET)、双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)及模块的研究进展.概述了SiC材料、SiC电力电子器件及模块的商品化情况,最后对SiC材料及器件的发展趋势进行了展望.     

Crack mechanism in wire bonding joints

High voltage and high current power modules are key components for traction applications. While the modules are exposed to harsh stress conditions all over their lifetime, high reliability is of decisive importance in this field of application. In power electronic packages wire bonding is used for the electrical interconnection from the chips to the output pins. Wire bond lift-off and solder fatigue are limiting the reliability. In this work we investigate the initiation and growth of cracks in the wire bonds using finite-element analysis.     

GaN功率器件栅驱动电路技术综述

第三代宽禁带半导体GaN晶体管具有低导通阻抗、低寄生参数和更快的开关速度,有望取代传统Si MOSFET,成为未来高性能电源系统实现方案。GaN器件的优势在400 V以上高压系统中更为明显,可以实现更高的开关频率和功率密度,显著提高系统的转换效率,特别适合电源模块小型化发展趋势。介绍了200 V以下低压GaN驱动电路的应用和关键技术。分析了从低压系统拓展到400 V以上高压系统时需要作出的优化与改进。详细介绍了高压GaN系统中基于无磁芯变压器耦合隔离的隔离驱动技术和耗尽型GaN负压栅驱动技术。最后,总结了目前高压GaN驱动电路在工业领域的具体应用。