在商業(yè)應(yīng)用中利用寬帶隙碳化硅（SiC）的獨(dú)特電氣優(yōu)勢(shì)需要解決由材料機(jī)械性能引起的可靠性挑戰(zhàn)。憑借其先進(jìn)的芯片粘接技術(shù)，Vincotech 處于領(lǐng)先地位。

十多年前首次推出的SiC功率模塊可能會(huì)改變功率模塊市場(chǎng)。通過(guò)用寬帶隙碳化硅（SiC）取代標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體中使用的硅，它們有可能將半導(dǎo)體功率模塊的適用性擴(kuò)展到更高功率、更高溫度的用例。

碳化硅不辜負(fù)其高期望，到2026年占據(jù)功率模塊市場(chǎng)25%的份額 ^1^ ，開(kāi)發(fā)人員將不得不克服幾個(gè)挑戰(zhàn)。首先，他們必須優(yōu)化SiC模塊設(shè)計(jì)，以充分利用材料的潛力，同時(shí)提供其在實(shí)際部署中可行的可靠性。

雖然SiC比Si-10倍的擊穿電壓和19倍的漏電流具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但它在芯片-基板焊點(diǎn)處表現(xiàn)出更高的應(yīng)力水平。在功率循環(huán)應(yīng)用中，這種重復(fù)應(yīng)力會(huì)降低芯片-基板界面，與標(biāo)準(zhǔn)硅器件相比，SiC器件的使用壽命縮短約70%。

本文介紹了Vincotech研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的一種新穎設(shè)計(jì)方法，該方法提高了SiC功率模塊的功率循環(huán)能力，并在較小程度上提高了柵極氧化層可靠性，短路耐用性和SIC體二極管退化。與硅基模塊相比，SiC在整體可靠性方面的差距縮小，使SiC成為適用于各種功率模塊應(yīng)用的可行、高性能的硅替代品。我們將改進(jìn)設(shè)計(jì)的性能與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手產(chǎn)品進(jìn)行比較，并評(píng)估其對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電樁的影響。

識(shí)別瓶頸

SiC有望在將電動(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備（EVSE）的總系統(tǒng)效率從95%提高到98%方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用，從而提供高效率、更高的功率密度和快速充電時(shí)間。然而，要做到這一點(diǎn)，它需要在功率循環(huán)能力方面與傳統(tǒng)硅基解決方案的高可靠性相匹配。

* 圖1. 電源模塊原理圖突出顯示焊點(diǎn)。圖片由 *Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]

雖然SiC的電氣性能優(yōu)于硅，但材料的機(jī)械性能對(duì)其功率循環(huán)能力產(chǎn)生負(fù)面影響。特別是，其三倍的楊氏模量會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)裂紋的形成和增長(zhǎng)。

此外，長(zhǎng)時(shí)間最大功率（例如，在電動(dòng)汽車(chē)充電器的情況下）的苛刻任務(wù)曲線(xiàn)以及流經(jīng)較小結(jié)的較大電流產(chǎn)生的較高溫度都會(huì)對(duì)焊點(diǎn)施加額外的應(yīng)力，需要管理。

所有這些因素都表明需要加強(qiáng)芯片焊點(diǎn)，以提高SiC模塊的功率循環(huán)能力。

測(cè)試用于碳化硅功率模塊的新型焊料合金

在實(shí)驗(yàn)室中，我們的研發(fā)團(tuán)隊(duì)實(shí)施了一種新型焊料合金，提高了SiC功率模塊的性能，使該技術(shù)可用于實(shí)際部署。我們 根據(jù) 連接 SiC 芯片 和 基 板 的 技術(shù) 測(cè)試 了 SiC 功率 模 塊 的 功率 循環(huán) 能力。在測(cè)試中，我們使用了VIN flowPACK E1 SiC模塊，其6PACK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)部采用SiC MOSFET芯片技術(shù)，以及競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的模塊。

*圖片由 *Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]

* 圖2. 流動(dòng) E1 外殼和 6PACK 原理圖。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

*圖片由 *Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]

* 圖3. 功率循環(huán)對(duì)耐溫性的影響，包括失效準(zhǔn)則（頂部）和產(chǎn)生特征壽命的威布爾分析（底部）。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

為了特別觸發(fā)焊料退化（一種關(guān)鍵的故障模式），我們進(jìn)行了加速功率循環(huán)測(cè)試，在最大結(jié)溫T時(shí)擊中芯片 杰馬克斯 = 150 °C 和 175 °C，溫差 dT = 100K，導(dǎo)通時(shí)間 t 上 = 1 秒。這使我們能夠模擬當(dāng)今遇到的典型操作條件（T 杰馬克斯 = 150 °C），以及更高性能的下一代解決方案（T 杰馬克斯 = 175 °C）。在這兩種情況下，失效標(biāo)準(zhǔn)都被定義為結(jié)和外殼之間的熱阻增加20%，R 千（J-C） ，表明芯片-基板界面處裂紋的發(fā)展和擴(kuò)展。

圖3的上圖顯示了每個(gè)被測(cè)芯片的芯片-基板界面處熱阻的演變。引起故障所需的功率周期數(shù)由標(biāo)繪線(xiàn)和指示故障標(biāo)準(zhǔn)的虛線(xiàn)的交點(diǎn)確定。使用Weibull分析分析故障數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖3底部圖表）揭示了觸發(fā)故障所需的平均循環(huán)次數(shù)~63%的測(cè)試芯片，被認(rèn)為是組件的特征壽命。

*圖片由 *Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]

* 圖4. 使用標(biāo)準(zhǔn)焊料（頂部）和新焊料（底部）的電源循環(huán)基準(zhǔn)。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

評(píng)估模塊的預(yù)期壽命

接下來(lái)，我們將 SiC 功率模塊的功率循環(huán)能力與標(biāo)準(zhǔn)硅器件的功率循環(huán)能力進(jìn)行了比較（見(jiàn)圖 4 上圖），使用 Vincotech 和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的模塊和標(biāo)準(zhǔn)焊料。在最高結(jié)溫下進(jìn)行的測(cè)試，T 杰馬克斯 ，150 °C 和 175 °C 的 150 °C 和 175 °C 證實(shí)，與硅器件相比，SiC 器件在焊點(diǎn)上承受的較高應(yīng)力使功率循環(huán)能力降低了 7 倍，無(wú)論使用的是 Vincotech 還是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的模塊。正如預(yù)期的那樣，模塊在T處經(jīng)歷的更高的溫度和應(yīng)力 杰馬克斯 = 175 °C 大大降低了模塊的功率循環(huán)能力。

基于這些結(jié)果，我們使用生命周期模型來(lái)預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)部署的電動(dòng)汽車(chē)充電器中模塊的預(yù)期壽命。假設(shè)在恒定的最大結(jié)溫下每天24個(gè)循環(huán)的任務(wù)曲線(xiàn)，T杰馬克斯在 125 °C 和 100 K 的溫度擺動(dòng)下，SiC 功率模塊的預(yù)期壽命僅為 2.2 年，而 Si 功率模塊的預(yù)期壽命為 16 年。使用Vincotech實(shí)施的新焊料合金進(jìn)行相同的比較（見(jiàn)圖4下圖），我們將循環(huán)能力提高到接近使用標(biāo)準(zhǔn)焊料的硅器件所達(dá)到的水平。在較高的最大結(jié)溫T 杰馬克斯 ，溫度為 175 °C，與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的 SiC 模塊相比，新型焊料合金大大提高了器件性能。假設(shè)充電器任務(wù)配置文件與以前相同，新的焊料合金將使SiC功率模塊的使用壽命延長(zhǎng)至15年左右，接近硅器件的使用壽命，并超過(guò)市場(chǎng)采用所需的當(dāng)前閾值。

準(zhǔn)備服務(wù)于快速增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車(chē)充電市場(chǎng)

Vincotech 先進(jìn)的芯片貼裝技術(shù)是一種高效且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，可應(yīng)對(duì) SiC 功率模塊在功率循環(huán)能力方面面臨的可靠性挑戰(zhàn)。我們的工程團(tuán)隊(duì)繼續(xù)研究新的焊料合金，以便能夠充分利用這種互連技術(shù)的潛力。同時(shí)，他們正在探索燒結(jié)等新技術(shù)，如果引線(xiàn)鍵合的可靠性（當(dāng)今解決方案中第二薄弱的環(huán)節(jié)）也得到改善，則可以進(jìn)一步提高功率循環(huán)能力。Vincotech 擁有廣泛的使用 SiC 技術(shù)的外殼產(chǎn)品組合，具有 40 多種不同的部件號(hào)，基于多源芯片組供應(yīng)鏈。此外，我們還為直流快速充電器應(yīng)用提供專(zhuān)用產(chǎn)品線(xiàn)，并為每個(gè)轉(zhuǎn)換階段提供全面的產(chǎn)品組合。為了配合電動(dòng)汽車(chē)充電站市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，我們制定了強(qiáng)大的專(zhuān)用碳化硅功率模塊技術(shù)路線(xiàn)圖，這些技術(shù)符合高可靠性的規(guī)格。