由中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、北京市人民政府、海南省人民政府、科學(xué)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(yùn)輸部、國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局、國(guó)家能源局聯(lián)合主辦的第四屆世界新能源汽車(chē)大會(huì)（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(kāi)。其中，北京會(huì)場(chǎng)位于北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)的亦創(chuàng)國(guó)際會(huì)展中心。

大會(huì)由中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)等單位承辦，將以“碳中和愿景下的全面電動(dòng)化與全球合作”為主題，邀請(qǐng)全球各國(guó)政產(chǎn)學(xué)研界代表展開(kāi)研討。本次大會(huì)將包含20多場(chǎng)會(huì)議、13,000平米技術(shù)展覽及多場(chǎng)同期活動(dòng)，200多名政府高層領(lǐng)導(dǎo)、海外機(jī)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(huì)發(fā)表演講。

其中，在8月26日舉辦的技術(shù)研討：“車(chē)規(guī)級(jí)芯片技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展”上，基本半導(dǎo)體技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)魏煒發(fā)表精彩演講。

以下內(nèi)容為現(xiàn)場(chǎng)演講實(shí)錄：

大家好，我是基本半導(dǎo)體的魏煒，今天非常高興來(lái)參加這個(gè)會(huì)議，我給大家?guī)?lái)的題目是關(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(gè)是目錄，我們先來(lái)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(diǎn)和應(yīng)用中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。另外一大部分是講MOSFET模塊的先進(jìn)封裝技術(shù)，其中有三個(gè)要點(diǎn)，一個(gè)是銀燒結(jié) （Ag Sintering技術(shù)），還有芯片DTS技術(shù)、還有先進(jìn)陶瓷覆銅板材料。我們先從這兒開(kāi)始聊起。

先聊一個(gè)最樸素的MOS是怎么開(kāi)通和關(guān)斷的，將一個(gè)P型硅點(diǎn)頂?shù)捻斏献龀鰞蓚€(gè)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?cè)俳o金屬和P型硅的之間施加了柵壓，這里就會(huì)發(fā)生一個(gè)電場(chǎng)效應(yīng)。電場(chǎng)效應(yīng)會(huì)使得綠色的帶上正電荷，在綠色金屬對(duì)面就是氧化層的對(duì)面，會(huì)在這一面感應(yīng)出負(fù)電荷。但是事實(shí)上這是一個(gè)P型硅點(diǎn)，而P型是不太多電子的，但是由于強(qiáng)電場(chǎng)的作用，這里就會(huì)出現(xiàn)很多電子的密度很高。所以，就會(huì)把這個(gè)局部材料性質(zhì)會(huì)從原本P型轉(zhuǎn)變成N型，我們把這種過(guò)程叫做“反型”。反型之后，這個(gè)區(qū)域的屬性就會(huì)從P型變成N型，這個(gè)是N，這邊也是N。中間也是N，所以就成了N和N連起來(lái)了，所以外面加一次負(fù)載，電流就會(huì)傳過(guò)這個(gè)地方就能導(dǎo)通了。因此，我們說(shuō)這個(gè)圖片中藍(lán)色的區(qū)域就是MOSFET的構(gòu)造。

我們有了這個(gè)知識(shí)基礎(chǔ)之后，我們來(lái)看看在現(xiàn)實(shí)中的MOSFET長(zhǎng)成什么樣子。這里有一張截面圖，這個(gè)截面圖就是現(xiàn)在的垂直導(dǎo)電的MOSFET的基本結(jié)構(gòu)就是這樣。

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

接下來(lái)聊一下MOSFET它的內(nèi)部電阻是怎么構(gòu)成的，我們經(jīng)常說(shuō)影響MOSFET主要的是由電阻來(lái)影響的，因?yàn)殂U和電阻是正相關(guān)的，電阻到底都有什么東西構(gòu)成。先說(shuō)這個(gè)名詞Rdson，Rdson在平面柵的的過(guò)程中一共有8個(gè)部分構(gòu)成，是用圖片上顯示的。從上到下，第一個(gè)部分叫做源極接觸電阻，它就是紅色源極的金屬與半導(dǎo)體的源極結(jié)束就是N+，接觸的時(shí)候會(huì)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(shuō)這個(gè)區(qū)域就是溝道，然后電流再跑出來(lái)就是RA電阻，再下來(lái)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(dǎo)體的電流要導(dǎo)到金屬里面，叫做接觸電阻，最后電流就出來(lái)了。因此，這一共是8個(gè)電阻的構(gòu)成。

我們看下一頁(yè)，我們經(jīng)常也連到碳化硅MOSFET會(huì)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(shuō)在碳化硅的材料中，挖出了一個(gè)槽，在這個(gè)槽里填入氧化層再填入柵極，這個(gè)綠色的就是柵極，就會(huì)構(gòu)成了溝槽柵的樣子。但是其實(shí)這個(gè)圖片上的知識(shí)，它并不局限在碳化硅或者硅，因?yàn)楣璧腗OSFET最雛形也是這個(gè)樣子，所以它無(wú)所謂的。

我們看看這個(gè)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(lán)色的部分就是溝道，大家會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)溝道跟剛才那張圖是不一樣的，因?yàn)閯偛拍菑垐D是水平的，這張圖是垂直的。我們聊聊它電阻的構(gòu)成又會(huì)是什么樣呢。我們會(huì)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(gè)部分構(gòu)成。分別這個(gè)接觸電阻，源區(qū)電阻、溝道電阻、積累區(qū)電阻，有一個(gè)電阻不見(jiàn)了就是JFET電阻，剛才那個(gè)圖是有這個(gè)的，而現(xiàn)在這個(gè)就沒(méi)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(gè)電阻少了之后，是能夠減少一塊電阻，因此在做成MOSFET的時(shí)候，做成溝槽柵是有優(yōu)勢(shì)的，能減少電阻就是這個(gè)原因。

然后我們來(lái)看看這樣的話題，剛才聊到碳化硅之前我想聊聊硅，我們說(shuō)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(gè)框，這里描述的是一個(gè)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(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)比例是出奇的大，非常高，高到讓其他數(shù)字一點(diǎn)都不大。這就是硅MOSFET一般的構(gòu)成。

然后我們來(lái)推出一個(gè)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(yàn)共識(shí)，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(huì)導(dǎo)致一個(gè)現(xiàn)象，用硅材料做的MOSFET，它的內(nèi)壓往上漲的時(shí)候，內(nèi)阻會(huì)漲的非常快，以至于到高壓場(chǎng)景下，硅材料做出來(lái)的MOSFET的經(jīng)濟(jì)性很差了，因?yàn)槟莻€(gè)電阻大的不得了，所以很不好用。然后我們來(lái)看看超結(jié)技術(shù)，超結(jié)技術(shù)事實(shí)上就是減少了MOSFET漂移區(qū)電阻，它可以使到導(dǎo)成電阻能極大的下降。

來(lái)看看下面一個(gè)概念什么叫做漂移區(qū)？漂移區(qū)就在圖片中是這個(gè)樣子的，它在藍(lán)色的區(qū)域，就是我們標(biāo)出來(lái)的漂移區(qū)。剛才我們說(shuō)的漂移區(qū)電阻是很大的一個(gè)比重，先聊聊漂移區(qū)有什么用？有兩個(gè)，第一個(gè)參與導(dǎo)電，第二個(gè)復(fù)雜背電壓，第二個(gè)是比較關(guān)鍵的，內(nèi)壓是靠電壓背起來(lái)的。所以這個(gè)區(qū)域?yàn)榱税央妷罕称饋?lái)，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(gè)值，就是內(nèi)阻和其他材料的基本屬性的規(guī)律，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)如果你想背住一定的電壓，那么這個(gè)電阻的數(shù)值會(huì)與材料的臨界擊穿的3次方成反比。這是什么意思？因?yàn)檫@這個(gè)材料的臨界擊穿電場(chǎng)比較強(qiáng)了，電阻就會(huì)很低，這時(shí)候背住固定的電壓數(shù)值，它的電阻就會(huì)比較近。如果我將硅和電壓硅比一比，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)碳化硅的臨界擊穿電場(chǎng)的強(qiáng)度要比硅要高10倍。這會(huì)導(dǎo)致在同樣擊穿電壓，談固化漂移區(qū)的比導(dǎo)電痛點(diǎn)硅要小2000倍以上，這個(gè)數(shù)字會(huì)非常驚人。這會(huì)推出一個(gè)結(jié)論，碳化硅MOSFET在高壓場(chǎng)景下的性能非常優(yōu)異，就是因?yàn)槲矣煤鼙〉牟牧暇湍鼙匙『芨叩碾妷海缓笪疑砩系碾娮柽€比較小。所以，它來(lái)完成背電壓的事情，就會(huì)很出色。

然后我們來(lái)看看實(shí)戰(zhàn)中MOSFET平面山的碳化硅 MOSFET Rdson的構(gòu)成。這里是一個(gè)例子，但是這個(gè)例子并沒(méi)有普通意義，但是會(huì)給到一個(gè)定性的感覺(jué)。就是你可以看出來(lái)，1200V的MOSFET，它的電阻構(gòu)成就比較分散了，首先你會(huì)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(gè)比例大家可以看出來(lái)，跟剛才的硅已經(jīng)有比較大的區(qū)別。

我們現(xiàn)在來(lái)聊一下溝道電阻是一個(gè)什么樣的表達(dá)，這張圖就是MOSFET的溝道電阻的表達(dá)式。這個(gè)表達(dá)式里有幾個(gè)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(gè)是長(zhǎng)度LCH，另外一個(gè)原包的寬度Wcell，然后這個(gè)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(mén)檻，跟這兩個(gè)有關(guān)系。從這個(gè)示值也能看出有趣的規(guī)律。

因?yàn)樵诟邏汗鐼OSFET中，溝道占比是非常不顯著的，所以提高門(mén)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?yàn)樘蓟韬瓦@個(gè)情況的占比有30%-40%，甚至到50%，所以如果我提高門(mén)極電壓，這個(gè)影響總電阻的大家就是這個(gè)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(mén)檻電壓，是能明顯降低Rdson的。所以說(shuō)，我們?cè)谔蓟鐼OSFET中，經(jīng)常會(huì)有人提到要用高的門(mén)極電壓和低的門(mén)檻電壓，就是這個(gè)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(gè)要素，就是流子遷移率，這個(gè)位置有個(gè)電阻遷移率，也可以看到電阻遷移率是一個(gè)其中一個(gè)要素。但是實(shí)戰(zhàn)中這個(gè)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(gè)是關(guān)于MOSFET可靠性難點(diǎn)的話題，有一個(gè)問(wèn)題，這個(gè)柵極有一個(gè)壽命問(wèn)題，所以我們要評(píng)估它的壽命。方法是外推法，未來(lái)會(huì)從柵極電壓找出施效的程度，再連線之后就可以預(yù)估出20負(fù)門(mén)級(jí)電壓下的水平。

還有一個(gè)話題，就是碳化硅MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)的Du/dt的應(yīng)力，我們說(shuō)在汽車(chē)?yán)飳⑻蓟鐼OSFET拿來(lái)做電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于碳化硅MOSFETDu/dt水平要比IGBT高得多，所以這個(gè)比較高的Du/dt會(huì)導(dǎo)致電極的電機(jī)層的定子側(cè)繞組里的漆包線，線和線之間的絕緣會(huì)有一定電容，而du/dt會(huì)使到電容里傳過(guò)共模電流。而共模的電流里，事實(shí)上會(huì)損傷漆包線的壽命。所以，用了碳化硅之后，電機(jī)的設(shè)計(jì)是需要重新改進(jìn)的，不然的話電機(jī)可能比較早就掛掉了，所以這是一個(gè)很實(shí)在的問(wèn)題。

我們?cè)倏催@個(gè)話題，就是叫做碳化硅MOSFET的同步整流模式，因?yàn)樵谶^(guò)去我們搞電機(jī)驅(qū)動(dòng)的時(shí)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(méi)有同步整流模式，它的電流導(dǎo)過(guò)來(lái)流是傳過(guò)二極管的。針對(duì)二極管芯片和IGBT芯片大部分是分開(kāi)的，那么在MOSFET里情況就不一樣了，因?yàn)樗怯型秸髂Ｊ降模簿褪钦f(shuō)電流在T2關(guān)斷時(shí)穿過(guò)，MOSFET就會(huì)從二極管跑到溝道里去。而這種特征會(huì)是一種新的挑戰(zhàn)，然后讓設(shè)計(jì)者要做出一定的變化，我們看這個(gè)地方，這個(gè)地方可以告訴你，碳化硅MOSFET的T2級(jí)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(gè)只能在死區(qū)的時(shí)間過(guò)后，其他時(shí)候需要把它趕到溝道里，要不然性能就會(huì)很大，就是損耗很高的。

再一個(gè)話題就是關(guān)于MOSFET的隔離驅(qū)動(dòng)器以及共模噪聲，驅(qū)動(dòng)器的共模噪聲是很大，所以驅(qū)動(dòng)器能不能做到，對(duì)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(gè)是短路能力，MOSFET短路能力是很多需要進(jìn)行模擬，這是一個(gè)我們的實(shí)曾結(jié)果。

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

我們現(xiàn)在來(lái)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(lái)，刪節(jié)就是現(xiàn)在聊的銀燒結(jié)將兩個(gè)物件連接起來(lái)。燒結(jié)料的焊芯其實(shí)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(dǎo)率大約是50W/m*K。燃燒節(jié)在這個(gè)問(wèn)題上有很大改進(jìn)。

我們現(xiàn)在說(shuō)一下焊接的缺點(diǎn)：

1.同系溫度過(guò)高，機(jī)械可靠性不好，因?yàn)楣ぷ鞯臏囟仍礃O熔點(diǎn)已經(jīng)離的有點(diǎn)近了，所以這個(gè)不好，會(huì)導(dǎo)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?yàn)楦憔昧耍瑢訒?huì)裂開(kāi)，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(lái)，形成的連接層所有參數(shù)都占優(yōu)。熱導(dǎo)率，銀燒結(jié)熱導(dǎo)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(gè)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(jí)上的提高，所以差別挺大的。

我們來(lái)看看下一個(gè)話題，就是MOSFET芯片承載電流時(shí)的痛點(diǎn)。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(gè)痛點(diǎn)。怎么解決問(wèn)題？用DTS技術(shù)就可以解決問(wèn)題，是怎么搞的？就是在芯片上表面要用銅線來(lái)干，但是銅線不能直接用，需要用一個(gè)緩沖層。這個(gè)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(gè)樣圖，中間這個(gè)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?yàn)殂~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(lái)，然后芯片的下表面也是銀燒結(jié)，所以這是一個(gè)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(jiàn)的，芯片上表面銀燒結(jié)就得跟DTS技術(shù)配合起來(lái)。

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

下面一個(gè)題目是功率模塊中常用的陶瓷材料，通常掏槽材料有三個(gè)維度，第一個(gè)是絕緣，第二個(gè)是導(dǎo)熱，第三個(gè)是可靠性。說(shuō)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(huì)有一個(gè)比較明顯的差異。我們說(shuō)氧化鋁是比較便宜的，但是它的性能很一般。氮化鋁熱導(dǎo)率很出色，但是它有一個(gè)缺點(diǎn)就是韌性不是很好。導(dǎo)致在實(shí)戰(zhàn)中，還是有一定缺點(diǎn)，在做碳化硅模塊的時(shí)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(dǎo)致可靠性做的不錯(cuò)，同時(shí)可以做的比較薄。

看看這張圖，說(shuō)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(huì)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(qiáng)，因此在實(shí)戰(zhàn)中它的可靠性很不錯(cuò)。所以，我們來(lái)下一個(gè)結(jié)論，就是氮化硅陶瓷雖然熱導(dǎo)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(dāng)?shù)模趸X要好很多。如果PK熱容，因?yàn)轫g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(shì)。最后我們下一個(gè)結(jié)論，就是氮化硅陶瓷是一種非常適合汽車(chē)級(jí)碳化硅模塊應(yīng)用的陶瓷材料。

以上就是由我給大家?guī)?lái)的題目講解，謝謝各位。

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

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