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

十多年前首次推出的SiC功率模塊可能會改變功率模塊市場。通過用寬帶隙碳化硅（SiC）取代標準半導(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展到更高功率、更高溫度的用例。

碳化硅不辜負其高期望，到2026年占據(jù)功率模塊市場25%的份額 ^1^ ，開發(fā)人員將不得不克服幾個挑戰(zhàn)。首先，他們必須優(yōu)化SiC模塊設(shè)計，以充分利用材料的潛力，同時提供其在實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，但它在芯片-基板焊點處表現(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)力會降低芯片-基板界面，與標準硅器件相比，SiC器件的使用壽命縮短約70%。

本文介紹了Vincotech研發(fā)團隊開發(fā)的一種新穎設(shè)計方法，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。我們將改進設(shè)計的性能與標準設(shè)計和競爭對手產(chǎn)品進行比較，并評估其對電動汽車充電樁的影響。

識別瓶頸

SiC有望在將電動汽車供電設(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間。然而，要做到這一點，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。圖片由 *Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]

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

此外，長時間最大功率（例如，在電動汽車充電器的情況下）的苛刻任務(wù)曲線以及流經(jīng)較小結(jié)的較大電流產(chǎn)生的較高溫度都會對焊點施加額外的應(yīng)力，需要管理。

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

測試用于碳化硅功率模塊的新型焊料合金

在實驗室中，我們的研發(fā)團隊實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)可用于實際部署。我們 根據(jù) 連接 SiC 芯片 和 基 板 的 技術(shù) 測試 了 SiC 功率 模 塊 的 功率 循環(huán) 能力。在測試中，我們使用了VIN flowPACK E1 SiC模塊，其6PACK拓撲結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用SiC MOSFET芯片技術(shù)，以及競爭對手的模塊。

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

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* 圖3. 功率循環(huán)對耐溫性的影響，包括失效準則（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），我們進行了加速功率循環(huán)測試，在最大結(jié)溫T時擊中芯片 杰馬克斯 = 150 °C 和 175 °C，溫差 dT = 100K，導(dǎo)通時間 t 上 = 1 秒。這使我們能夠模擬當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，失效標準都被定義為結(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)展和擴展。

圖3的上圖顯示了每個被測芯片的芯片-基板界面處熱阻的演變。引起故障所需的功率周期數(shù)由標繪線和指示故障標準的虛線的交點確定。使用Weibull分析分析故障數(shù)據(jù)（見圖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%的測試芯片，被認為是組件的特征壽命。

*圖片由 *Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]

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

評估模塊的預(yù)期壽命

接下來，我們將 SiC 功率模塊的功率循環(huán)能力與標準硅器件的功率循環(huán)能力進行了比較（見圖 4 上圖），使用 Vincotech 和競爭對手的模塊和標準焊料。在最高結(jié)溫下進行的測試，T 杰馬克斯 ，150 °C 和 175 °C 的 150 °C 和 175 °C 證實，與硅器件相比，SiC 器件在焊點上承受的較高應(yīng)力使功率循環(huán)能力降低了 7 倍，無論使用的是 Vincotech 還是競爭對手的模塊。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預(yù)測現(xiàn)場部署的電動汽車充電器中模塊的預(yù)期壽命。假設(shè)在恒定的最大結(jié)溫下每天24個循環(huán)的任務(wù)曲線，T杰馬克斯在 125 °C 和 100 K 的溫度擺動下，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實施的新焊料合金進行相同的比較（見圖4下圖），我們將循環(huán)能力提高到接近使用標準焊料的硅器件所達到的水平。在較高的最大結(jié)溫T 杰馬克斯 ，溫度為 175 °C，與競爭對手的 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至15年左右，接近硅器件的使用壽命，并超過市場采用所需的當前閾值。

準備服務(wù)于快速增長的電動汽車充電市場

Vincotech 先進的芯片貼裝技術(shù)是一種高效且經(jīng)濟高效的解決方案，可應(yīng)對 SiC 功率模塊在功率循環(huán)能力方面面臨的可靠性挑戰(zhàn)。我們的工程團隊繼續(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，他們正在探索燒結(jié)等新技術(shù)，如果引線鍵合的可靠性（當今解決方案中第二薄弱的環(huán)節(jié)）也得到改善，則可以進一步提高功率循環(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，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)用提供專用產(chǎn)品線，并為每個轉(zhuǎn)換階段提供全面的產(chǎn)品組合。為了配合電動汽車充電站市場的快速增長，我們制定了強大的專用碳化硅功率模塊技術(shù)路線圖，這些技術(shù)符合高可靠性的規(guī)格。