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碳化硅功率器件及其封装技术发展探讨(一)|IFWS&SSLCHINA2024

 碳化硅功率器件的应用领域不断扩展,其封装技术发展在提高功率和信号传输效率、降低能量损耗、适应极端工作环境等方面有着重要的支持作用。近期,第十届国际第三代半导体论坛&第二十一届中国国际半导体照明论坛(IFWS&SSLCHINA2024)在苏州召开。

现场1 

期间,由国家第三代半导体技术创新中心(苏州)、北京北方华创微电子装备有限公司、苏州思体尔软件科技有限公司、北京康美特科技股份有限公司、江苏博睿光电股份有限公司、北京国联万众半导体科技有限公司、上海瞻芯电子科技股份有限公司、苏州中瑞宏芯半导体有限公司、苏州思体尔软件科技有限公司协办支持的“碳化硅功率器件及其封装技术 I”分会上,加拿大多伦多大学纳米制造中心主任、教授吴伟东,复旦大学特聘教授、清纯半导体(宁波)有限公司董事长张清纯,江苏博睿光电股份有限公司副总经理梁超,怀柔实验室北京智慧能源研究院李学宝,北京国联万众半导体科技有限公司研发总监王川宝,北京康美特科技股份有限公司研发总监庞凯敏,浙江大学研究员王珩宇,西安交通大学张彤宇,东南大学集成电路学院马杰,山东大学杨新宇等专家们齐聚,共同探讨碳化硅功率器件及其封装技术的发展。美国 PowerAmerica 执行董事兼CTO、ICSCRM 2024大会主席、北卡罗莱纳州立大学教授 、IEEE宽禁带功率半导体技术路线图委员会(ITRW)主席Victor VELIADIS,上海瞻芯电子科技股份有限公司副总经理曹峻,厦门大学教授张峰共同主持了分会。

主持人victor

 Victor VELIADIS

美国 PowerAmerica 执行董事兼CTO、ICSCRM 2024大会主席、北卡罗莱纳州立大学教授 、IEEE宽禁带功率半导体技术路线图委员会(ITRW)主席

吴伟东

吴伟东

加拿大多伦多大学纳米制造中心主任、教授

加拿大多伦多大学纳米制造中心主任、教授吴伟东做了”SiC 功率 MOSFET老化检测智能栅极驱动器“的主题报告,分享了SiC功率MOSFET的栅极驱动要求、老化机制和指标,

SiC功率MOSFET中的开关瞬态,具有老化检测和补偿功能的智能门驱动器,高温栅极偏压加速寿命测试等研究进展,研究描述了SiC功率MOSFET的老化机理和老化指标,报告指出,SiC的老化通常会导致Vth的增加,从而导致RDS,on的增加;通过测量栅极电压激活到米勒平台开启之间的时间间隔,可以监测Vth的偏移;可以增加栅极驱动电压,以部分补偿RDS,on的上升。由于故障是固有的,应在下一次定期预防性维护时更换SiC;嘈杂的切换环境仍然是一个挑战。

 张清纯

张清纯

复旦大学特聘教授、清纯半导体(宁波)有限公司董事长

《SiC MOSFET 微型化及国内外动态可靠性研究最新进展》

 曹峻

曹峻

上海瞻芯电子科技股份有限公司副总经理

《高可靠SiC MOSFET管芯-从WLBI, KGD到出厂分Bin》

 梁超

梁超

江苏博睿光电股份有限公司副总经理

江苏博睿光电股份有限公司副总经理梁超做了“功率器件封装用的高性能AlN陶瓷基板及金属化技术”的主题报告,分享了面向功率器件封装用陶瓷基板的发展现况,以及博睿陶瓷基板研究进展等内容。博睿光电陶瓷基板的研究方向,涉及高性能AlN陶瓷基板、基于AlN基板的金属化技术等。热导率的持续提升是研究的焦点,材料缺陷产生的声子散射为制约其热导率提高的核心问题。报告分享了高导热AlN陶瓷的研究思路,超高导热AlN陶瓷制备技术,高导热AlN陶瓷翘曲控制、高导热AlN陶瓷基板表面拓扑控制、AlN陶瓷基板金属化技术等研究进展,以及高导热+[超薄·高强·高韧]基板性能新挑战等。报告指出,AlN陶瓷基板的热导率提升有利于助推其更广阔的应用前景。超高导热AlN陶瓷基板的低成本制造技术突破将会推动AlN陶瓷基板进入更多应用领域。高性能AlN陶瓷基板与DPC/AMB/DBA金属化技术的充分结合,将会更好的满足未来高密度封装的发展需求。

 李学宝

李学宝

怀柔实验室功率半导体研究所副教授

清洁化、柔性化、电气化是新型电力系统的主要特征,功率半导体器件是构建新型电力系统的核心元器件。怀柔实验室功率半导体研究所副教授李学宝做了“集成多芯片电流测量的大功率碳化硅MOSFET模块研制”的主题报告,分享了一种集成多芯片并联的电流测量模块设计、大功率碳化硅MOSFET模块的制备及测试等内容。报告显示,采用标准62mm封装形式,设计了一款6芯片并联的半桥模块,可堆叠布置PCB罗氏线圈。根据不同工况的电流回路分别提取寄生参数,上下半桥具有较好的一致性,寄生电感偏差小于5%;采用叠层衬板实现模块的低感设计。开发了全流程封装工艺,包含纳米银(铜)烧结、大面积低空洞率焊接、不同界面金属层引线键合、耐高温灌封等工艺。PCB板罗氏线圈可根据需要灵活嵌入,为开展并联芯片电流测量与均衡调控提供了基本手段。 

王川宝

王川宝

北京国联万众半导体科技有限公司研发总监

北京国联万众半导体科技有限公司研发总监王川宝做了“SiC基电力电子及射频芯片技术发展”的主题报告,分享了SiC基GaN射频器件、SiC电力电子器件等的研究进展与成果。GaN 民用射频芯片主要应用场景涉及GaN大功率器件100-500W系列,GaN功率器件与模块40-80W系列,GaN毫米波芯片(26G、28G、39G)等,4G/5G通讯、5G-A应用则涉及反无人机、通讯干扰、射频医美等,GaN全流程自主可控涉及清晰的技术演化,高可靠性。SiC功率器件研发和生产主要涉及芯片加工、封装测试、功能模块环节。报告显示,国联万众的6英寸SiC功率芯片研发生产线,净化面积超过4000㎡,6英寸SiC产品2019年开始批量供货,SBD发货大于5000万只,MOS发货大于2000万只。国联万众的SiC 电力电子器件具有低比导通电阻、阈值电压一致性、短路耐量、成本等方面具有核心优势。

庞凯敏

庞凯敏

北京康美特科技股份有限公司研发总监

北京康美特科技股份有限公司研发总监庞凯敏做了“高可靠性碳化硅基IGBT器件封装材料”的主题报告,分享了灌封材料的性能要求、灌封材料的选择、环氧灌封胶设计等内容。碳化硅IGBT器件灌封材料的选择对其性能和寿命有着至关重要的影响。高功率密度需求催生封装材料和工艺不断选代。高可靠性IGBT灌封胶具有耐高温、耐高压、机械强度-高低温循环等性能要求。报告显示,环氧灌封胶设计技术难点涉及低膨胀系数与低模量间难以平衡的矛盾,高填充体系的高黏度难题,高填充材料普遍面临粘接强度不足的挑战。为了提高环氧灌封胶的韧性,可以在环氧机体中引入增韧剂,或通过分子结构设计引入柔性链段。提高热灌封胶的热导率,有利于将热量从芯片等器件导出,提高散热效率,确保IGBT的温度控制和性能稳定。提高环氧灌封材料导热性能,在不影响工艺性和可靠性的前提下,尽可能多的添加合适的导热填料。报告指出,通过材料结构和组成优化,设计制备出可以满足现有SiC功率器件灌封用的环氧树脂灌封胶。SiC功率器件用的环氧灌封胶的耐热性和耐高低温冲击等性能,有待进一步提升。 

 王珩宇

王珩宇

浙江大学研究员

浙江大学研究员王珩宇做了“碳化硅超级结功率器件技术”的主题报告,分享了SiC超结器件的研制、SiC浮岛器件的研制等研究进展。报告指出,SiC功率器件性能逐渐接近了其一维理论极限,进一步降低电阻和功率损耗遇到了技术瓶颈。超级结和浮岛结技术通过空间电荷平衡,可以实现高效电场分布,进而突破SiC器件一维电阻极限。目前,SiC超级结和浮岛结技术都分别提高了碳化硅器件的性能,并成功实现了一维极限的突破。另一方面,SiC超级结和浮岛结系列器件的性能尚未兑现其理论性能优势,未来有希望将器件性能(功率品质因数FOM)进一步提高5倍。

 元旭-马杰

马杰

东南大学集成电路学院

东南大学集成电路学院马杰做了“碳化硅全集成技术进展”的主题报告,分享了相关研究进展。报告指出,基于碳化硅纵向MOS进行扩展,集成低压CMOS,构建成碳化硅全集成技术。碳化硅纵向MOS工艺技术成熟,易于实现CMOS集成。受碳化硅纵向MOS结构和工艺参数限制,可集成的器件种类不够丰富。未来CMOS器件在阈值匹配,高压LDMOS器件在表面载流子路径控制,高低压隔离在深阱、埋层,大规模集成在线宽等方面面临着挑战。

 张峰

张峰

厦门大学教授

《SiC功率器件的光激发研究》

 杨新宇

杨新宇

山东大学

山东大学杨新宇做了“新型1200V 4H-SiC沟槽JBS的设计与仿真”的主题报告,分享了仿真模型和校准、新型JBS和仿真结果等内容。报告显示,研究使用4H-SiC SBD的测试数据、微调金属功函数、隧穿有效质量和拟合参数来校准TCAD模型,以匹配实验结果。该研究引入了一种双外延沟槽JBS(DET-JBS)结构,该结构通过深沟槽PN结和双外延层显著提高了二极管性能。与标准JBS二极管相比,DET-JBS在1200V下的漏电流降低了4个数量级,在1e-4A漏电流下的击穿电压提高了14%,同时在10A下保持了1.31V的低正向电压。研究证明了DET-JBS结构在高功率应用中的巨大潜力。

 代替王来利?

张彤宇

西安交通大学

《宽禁带器件高温高可靠封装技术研究》

(根据现场资料整理,仅供参考)  

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