WNEVC 2022 | 基本半导体魏炜：碳化硅MOSFET技术解析

由中国科学技术协会、北京市人民政府、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局联合主办的第四届世界新能源汽车大会（WNEVC 2022）于8月26-28日在北京、海南两地以线上、线下相结合的方式召开。其中，北京会场位于北京经济技术开发区的亦创国际会展中心。

大会由中国汽车工程学会等单位承办，将以“碳中和愿景下的全面电动化与全球合作”为主题，邀请全球各国政产学研界代表展开研讨。本次大会将包含20多场会议、13,000平米技术展览及多场同期活动，200多名政府高层领导、海外机构官员、全球企业领袖、院士及行业专家等出席大会发表演讲。

其中，在8月26日举办的技术研讨：“车规级芯片技术突破与产业化发展”上，基本半导体技术营销总监魏炜发表精彩演讲。

以下内容为现场演讲实录：

大家好，我是基本半导体的魏炜，今天非常高兴来参加这个会议，我给大家带来的题目是关于碳化硅MOSFET技术芯片以及模块技术的一些话题。

这个是目录，我们先来到碳化硅MOSFET芯片，它的结构是Rdson内阻构成，以及MOSFET可靠性的难点和应用中的风险点。另外一大部分是讲MOSFET模块的先进封装技术，其中有三个要点，一个是银烧结 （Ag Sintering技术），还有芯片DTS技术、还有先进陶瓷覆铜板材料。我们先从这儿开始聊起。

先聊一个最朴素的MOS是怎么开通和关断的，将一个P型硅点顶的顶上做出两个N型的区域，然后在最顶上做出一层氧化层和一层金属，分别是红色的是氧化层，绿色的是金属。然后我们再给金属和P型硅的之间施加了栅压，这里就会发生一个电场效应。电场效应会使得绿色的带上正电荷，在绿色金属对面就是氧化层的对面，会在这一面感应出负电荷。但是事实上这是一个P型硅点，而P型是不太多电子的，但是由于强电场的作用，这里就会出现很多电子的密度很高。所以，就会把这个局部材料性质会从原本P型转变成N型，我们把这种过程叫做“反型”。反型之后，这个区域的属性就会从P型变成N型，这个是N，这边也是N。中间也是N，所以就成了N和N连起来了，所以外面加一次负载，电流就会传过这个地方就能导通了。因此，我们说这个图片中蓝色的区域就是MOSFET的构造。

我们有了这个知识基础之后，我们来看看在现实中的MOSFET长成什么样子。这里有一张截面图，这个截面图就是现在的垂直导电的MOSFET的基本结构就是这样。

我们说上面红色的部分是源极，下面的是漏极，因此电流从漏极进，从源极出，从下面进上面出。蓝色框的位置，就是沟道，它是左右对称的。我们现在把屏幕上的区域名字叫原包，这个原包的基本结构就是这样，一个栅，两边都有沟道，蓝色就是沟道了，然后这个电流通过这个地方就流过去了，所以就把这个叫做基本的MOSFET结构。

接下来聊一下MOSFET它的内部电阻是怎么构成的，我们经常说影响MOSFET主要的是由电阻来影响的，因为铅和电阻是正相关的，电阻到底都有什么东西构成。先说这个名词Rdson，Rdson在平面栅的的过程中一共有8个部分构成，是用图片上显示的。从上到下，第一个部分叫做源极接触电阻，它就是红色源极的金属与半导体的源极结束就是N+，接触的时候会有一次接触电阻。然后到源区内有体现叫RN+，然后电流到这儿就叫做沟道电阻，刚才我们说这个区域就是沟道，然后电流再跑出来就是RA电阻，再下来叫JFET电阻，再往下就是漂移区电阻RD，再往下就是衬底区的电阻，再往下就是这里有一次接触，就将半导体的电流要导到金属里面，叫做接触电阻，最后电流就出来了。因此，这一共是8个电阻的构成。

我们看下一页，我们经常也连到碳化硅MOSFET会有沟槽栅，那么沟槽栅到底是什么样子？图片上显示就是沟槽栅。我们先说在碳化硅的材料中，挖出了一个槽，在这个槽里填入氧化层再填入栅极，这个绿色的就是栅极，就会构成了沟槽栅的样子。但是其实这个图片上的知识，它并不局限在碳化硅或者硅，因为硅的MOSFET最雏形也是这个样子，所以它无所谓的。

我们看看这个结构跟刚才的有什么区别，先尝试找出哪里是沟道，蓝色的部分就是沟道，大家会发现这个沟道跟刚才那张图是不一样的，因为刚才那张图是水平的，这张图是垂直的。我们聊聊它电阻的构成又会是什么样呢。我们会发现，这种结构的MOSFET，它的电阻少了一部分，所以它只有7个部分构成。分别这个接触电阻，源区电阻、沟道电阻、积累区电阻，有一个电阻不见了就是JFET电阻，刚才那个图是有这个的，而现在这个就没有了。其他是一样的，漂移区电阻，然后是衬底电阻，然后是源区接触电阻。由于这个电阻少了之后，是能够减少一块电阻，因此在做成MOSFET的时候，做成沟槽栅是有优势的，能减少电阻就是这个原因。

然后我们来看看这样的话题，刚才聊到碳化硅之前我想聊聊硅，我们说硅的MOSFET结构它的Rdson构成的比例是一种什么样的存在。我们看这个框，这里描述的是一个600V的MOSFET用硅材料做的，它的电阻是怎么构成的呢？红框中的部分大家看一下，是JFET和漂移区电阻占的比例，我们会发现这个比例是出奇的大，非常高，高到让其他数字一点都不大。这就是硅MOSFET一般的构成。

然后我们来推出一个结论，就是在硅极的高压MOSFET，Rdson的主要矛盾是漂移区的电阻，就像刚才那张图显示的那样子。我们这里有一条这样的公式，叫做硅的高压MOSFET中，它的器件耐压与内阻有一条经验共识，大白话的讲就是这种硅的MOSFET内阻与内压的2.5次方程成正比。这会导致一个现象，用硅材料做的MOSFET，它的内压往上涨的时候，内阻会涨的非常快，以至于到高压场景下，硅材料做出来的MOSFET的经济性很差了，因为那个电阻大的不得了，所以很不好用。然后我们来看看超结技术，超结技术事实上就是减少了MOSFET漂移区电阻，它可以使到导成电阻能极大的下降。

来看看下面一个概念什么叫做漂移区？漂移区就在图片中是这个样子的，它在蓝色的区域，就是我们标出来的漂移区。刚才我们说的漂移区电阻是很大的一个比重，先聊聊漂移区有什么用？有两个，第一个参与导电，第二个复杂背电压，第二个是比较关键的，内压是靠电压背起来的。所以这个区域为了把电压背起来，所以它的厚度和浓度都需要做出妥协。我们看看其中的基本规律是怎么样的？这张图描述了碳化硅材料或者硅材料一样的，它们背电压的规律。这里建立了一个值，就是内阻和其他材料的基本属性的规律，我们会发现如果你想背住一定的电压，那么这个电阻的数值会与材料的临界击穿的3次方成反比。这是什么意思？因为这这个材料的临界击穿电场比较强了，电阻就会很低，这时候背住固定的电压数值，它的电阻就会比较近。如果我将硅和电压硅比一比，你就会发现碳化硅的临界击穿电场的强度要比硅要高10倍。这会导致在同样击穿电压，谈固化漂移区的比导电痛点硅要小2000倍以上，这个数字会非常惊人。这会推出一个结论，碳化硅MOSFET在高压场景下的性能非常优异，就是因为我用很薄的材料就能背住很高的电压，然后我身上的电阻还比较小。所以，它来完成背电压的事情，就会很出色。

然后我们来看看实战中MOSFET平面山的碳化硅 MOSFET Rdson的构成。这里是一个例子，但是这个例子并没有普通意义，但是会给到一个定性的感觉。就是你可以看出来，1200V的MOSFET，它的电阻构成就比较分散了，首先你会看到沟道的电阻比例就不像硅那样是很小的频率，是比较高的频率，打击可以去到30多、40多都有可能。JFET电阻有一定频率，另外就是漂移区和衬底也有一定频率。这个比例大家可以看出来，跟刚才的硅已经有比较大的区别。

我们现在来聊一下沟道电阻是一个什么样的表达，这张图就是MOSFET的沟道电阻的表达式。这个表达式里有几个数值，这里它就告诉你沟道的电阻都有什么东西构成的。一个是长度LCH，另外一个原包的宽度Wcell，然后这个电子uni和Cox栅极氧化层的电容层，另外就是栅极电压和栅极门槛，跟这两个有关系。从这个示值也能看出有趣的规律。

因为在高压硅MOSFET中，沟道占比是非常不显著的，所以提高门槛GS电压是不能降低或者根本不显著。但是，如果在碳化硅MOSFET里情况不一样，因为碳化硅和这个情况的占比有30%-40%，甚至到50%，所以如果我提高门极电压，这个影响总电阻的大家就是这个权重，30%-40%、50%，所以在碳化硅MOSFET里讨论GS的电压，不讨论GS的门槛电压，是能明显降低Rdson的。所以说，我们在碳化硅MOSFET中，经常会有人提到要用高的门极电压和低的门槛电压，就是这个原因，它一切都是从为了电阻出发的。

我们看这里还有一个要素，就是流子迁移率，这个位置有个电阻迁移率，也可以看到电阻迁移率是一个其中一个要素。但是实战中这个要素影响很大，是能明显影响碳化硅好和坏的区别。

首先，这个是关于MOSFET可靠性难点的话题，有一个问题，这个栅极有一个寿命问题，所以我们要评估它的寿命。方法是外推法，未来会从栅极电压找出施效的程度，再连线之后就可以预估出20负门级电压下的水平。

还有一个话题，就是碳化硅MOSFET开关时的Du/dt的应力，我们说在汽车里将碳化硅MOSFET拿来做电机驱动，由于碳化硅MOSFETDu/dt水平要比IGBT高得多，所以这个比较高的Du/dt会导致电极的电机层的定子侧绕组里的漆包线，线和线之间的绝缘会有一定电容，而du/dt会使到电容里传过共模电流。而共模的电流里，事实上会损伤漆包线的寿命。所以，用了碳化硅之后，电机的设计是需要重新改进的，不然的话电机可能比较早就挂掉了，所以这是一个很实在的问题。

我们再看这个话题，就是叫做碳化硅MOSFET的同步整流模式，因为在过去我们搞电机驱动的时候，很少使用MOSFET，至少是不典型。那么大部分都是用IGBT，但是IGBT是没有同步整流模式，它的电流导过来流是传过二极管的。针对二极管芯片和IGBT芯片大部分是分开的，那么在MOSFET里情况就不一样了，因为它是有同步整流模式的，也就是说电流在T2关断时穿过，MOSFET就会从二极管跑到沟道里去。而这种特征会是一种新的挑战，然后让设计者要做出一定的变化，我们看这个地方，这个地方可以告诉你，碳化硅MOSFET的T2级管的正二向导的特性并不优秀。它的压降比较高，正常情况下是5伏起调的。所以二极管的打通是不怎么样的，这个只能在死区的时间过后，其他时候需要把它赶到沟道里，要不然性能就会很大，就是损耗很高的。

再一个话题就是关于MOSFET的隔离驱动器以及共模噪声，驱动器的共模噪声是很大，所以驱动器能不能做到，对它MOSFET也需要很大，因此隔离芯片的共模移植能力一定要非常好。还有一个是短路能力，MOSFET短路能力是很多需要进行模拟，这是一个我们的实曾结果。

再看看短路保护，在这里短路保护和以前的IGBT并没有很大区别，只是它的允许时间会缩短很多，大概在1.8us-2.3us左右，就比较窄了，所以对嗲路调试的程度比较高。

我们现在来到模块里银烧结技术，模块里它的芯片和顶层是三明治结构，但是连接的方式通常有两种，一种是焊接，一种是烧结。焊接就是用焊锡料连接起来，删节就是现在聊的银烧结将两个物件连接起来。烧结料的焊芯其实不怎么优秀，很普遍，首先厚度非常厚，它不能特别薄。第二热导率大约是50W/m*K。燃烧节在这个问题上有很大改进。

我们现在说一下焊接的缺点：

1.同系温度过高，机械可靠性不好，因为工作的温度源极熔点已经离的有点近了，所以这个不好，会导致有相变的情况。

2.连接层温度循环和功率循环能力比较弱。因为搞久了，层会裂开，所以焊接比较不好。

我们看看银烧结，我们首先把结论抛出来，形成的连接层所有参数都占优。热导率，银烧结热导率是220W/m*k，是焊锡料的4倍，它是220，固态是420，所以即便是烧结好的蜂窝状的银度还很高。第二个是厚度，银烧结层厚度只有小于20um，所以很薄，可靠性也有数量级上的提高，所以差别挺大的。

我们来看看下一个话题，就是MOSFET芯片承载电流时的痛点。碳化硅芯片的电流密度比IGBT高很多，所以IGBT的面积比较大，但是碳化硅MOSFET面积比较小，所以留给铝线的面积也少了。铝线的可靠性模块成为瓶颈，所以成为一个痛点。怎么解决问题？用DTS技术就可以解决问题，是怎么搞的？就是在芯片上表面要用铜线来干，但是铜线不能直接用，需要用一个缓冲层。这个技术可以极大的提高电流的密度天花板。

我们看看DTS结构，先看一个样图，中间这个是芯片，芯片的上表面有一层银膏，然后再是缓冲的铜箔，再上铜线，再将它们连在一起。因为铜线很厚，所以它不能直接打到芯片上，中间必须装备缓冲层，它的目的就是将硬力释放，可以使用铜线，所以结构是这样的。芯片的上表面是有银烧结，用银烧结将缓冲连接起来，然后芯片的下表面也是银烧结，所以这是一个双面银烧才能完成的工艺。而芯片的下表面银烧是比较常见的，芯片上表面银烧结就得跟DTS技术配合起来。

然后这是实例，它有几个好处，第一电流能力就极大的程度提升了。第二个是芯片如果往上跑的话，这种技术移开了焊锡料，所以它的的天花板也明显上升了，所以是一项很好的基础。这是一个实例的照片，可以看出它是铝线是下面这个图，DTS供应它的温升就有很大改善。

下面一个题目是功率模块中常用的陶瓷材料，通常掏槽材料有三个维度，第一个是绝缘，第二个是导热，第三个是可靠性。说到陶瓷，通常有三种，氧化铝、氮化铝、氮化硅。但是在碳化硅里，会有一个比较明显的差异。我们说氧化铝是比较便宜的，但是它的性能很一般。氮化铝热导率很出色，但是它有一个缺点就是韧性不是很好。导致在实战中，还是有一定缺点，在做碳化硅模块的时候，就发现氮化硅陶瓷所做成的陶瓷覆铜板中，韧性极好，导致可靠性做的不错，同时可以做的比较薄。

看看这张图，说明就是同样用不同的陶瓷，配合不同的铜厚，陶瓷的厚度和温度循环，我们会发现氮化硅陶瓷形成的陶瓷覆铜融板温度循环能力很强，因此在实战中它的可靠性很不错。所以，我们来下一个结论，就是氮化硅陶瓷虽然热导率比氮化铝要高，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，所以如果我们PK热阻的话，氮化硅陶瓷与氮化铝是能相当的，氧化铝要好很多。如果PK热容，因为韧性很好，所以可以配合较厚的铜箔。而且铜箔的比较厚的是我们很喜欢用的，所以这是很大的优势。最后我们下一个结论，就是氮化硅陶瓷是一种非常适合汽车级碳化硅模块应用的陶瓷材料。

以上就是由我给大家带来的题目讲解，谢谢各位。

（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅）