碳化硅何以英飛凌？—— SiC MOSFET性能評(píng)價(jià)的真相
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在碳化硅（SiC）技術(shù)的應(yīng)用中，許多工程師對(duì)SiC的性能評(píng)價(jià)存在誤解，尤其是關(guān)于“單位面積導(dǎo)通電阻（Rsp）”和“高溫漂移”的問(wèn)題。作為“碳化硅何以英飛凌”的系列文章，本文將繼續(xù)為您揭開(kāi)這些誤區(qū)的真相（誤區(qū)一見(jiàn)：碳化硅何以英飛凌？—— 溝槽柵技術(shù)可靠性真相），并介紹英飛凌如何通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。
常見(jiàn)誤區(qū)2：
“SiC的性能主要看單位面積導(dǎo)通電阻Rsp，電阻越小，產(chǎn)品越好。
與平面柵相比，溝槽柵SiC的電阻在高溫下漂移更大，這是否會(huì)影響可靠性”
01
多元化的性能評(píng)價(jià)更全面
Rsp并非唯一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
雖然Rsp越小，導(dǎo)通損耗越低，但SiC器件的終極目標(biāo)是長(zhǎng)期可靠地實(shí)現(xiàn)更高效率的能源轉(zhuǎn)換。因此，除了導(dǎo)通損耗，開(kāi)關(guān)損耗、封裝技術(shù)、魯棒性和可靠性同樣重要。
開(kāi)關(guān)損耗的重要性
芯片自身的損耗，主要取決于開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。不同的應(yīng)用兩種損耗的比例非常不同，在高頻硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)損耗的占比等同于甚至可能超過(guò)導(dǎo)通損耗。英飛凌的第二代SiC技術(shù)，不僅在Rsp上領(lǐng)先，開(kāi)關(guān)損耗也是業(yè)界最低的。（見(jiàn)對(duì)比圖）
封裝技術(shù)的優(yōu)化
英飛凌原創(chuàng)的.XT超級(jí)擴(kuò)散焊技術(shù)，取代了傳統(tǒng)焊料層，顯著降低30%的結(jié)殼熱阻，應(yīng)用中可提升15%的輸出能力。此外，英飛凌模塊的雜散電感設(shè)計(jì)也得到了優(yōu)化，減少了尖峰電壓的沖擊與震蕩。
魯棒性和可靠性
魯棒性，反應(yīng)的是極端動(dòng)態(tài)工況下的性能表現(xiàn)（長(zhǎng)期滿載、長(zhǎng)期戶外等惡劣環(huán)境），英飛凌的SiC產(chǎn)品已經(jīng)擁有超過(guò)十年以上的光伏等戶外場(chǎng)景的長(zhǎng)期驗(yàn)證；
可靠性，是長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性及使用壽命。英飛凌采用的是更為嚴(yán)苛、超越行業(yè)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的可靠性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，再追加上我們篩選柵極氧化層缺陷的高效測(cè)試方法，英飛凌的可靠性足得到最大化的保障。
（關(guān)于可靠性的深入解讀，請(qǐng)參考“碳化硅何以英飛凌”系列文章一）
02
高溫漂移的真相
溝槽柵SiC的導(dǎo)通電阻在高溫下漂移更大，這是否會(huì)影響可靠性？
SiC材料的物理特性：
SiC的導(dǎo)通電阻（Rdson）構(gòu)成中，有兩個(gè)重要的參數(shù)：溝道（Channel）電阻和外延層+JFET（Drift+JFET）電阻。外延層和JFET電阻會(huì)隨溫度升高而上升，這是SiC材料的物理特性。
溝槽柵的溫度特性：
溝槽柵的溝道電阻經(jīng)過(guò)優(yōu)化，電子就像在高速隧道中行駛，溝道電阻占比更小，因此外延層電阻占比更大，導(dǎo)致Rdson隨溫度升高而上升的現(xiàn)象更顯著。這種正溫度特性并不影響器件的可靠性。
平面柵的溫度特性：
平面柵的水平溝道缺陷率較高，電子在通過(guò)時(shí)容易被捕獲，但隨著溫度升高，電子的捕獲-釋放過(guò)程更加活躍，導(dǎo)致溝道電阻隨溫度上升而下降，補(bǔ)償了外延層電阻的上升。這種溫度漂移不明顯的背后，其實(shí)只是兩種電阻溫度特性相互抵消后的表現(xiàn)而已。它恰恰證明了，平面柵的水平溝道缺陷帶給導(dǎo)通性能的影響是客觀存在的，這也會(huì)對(duì)碳化硅產(chǎn)品的可靠性產(chǎn)生隱患。
從平面柵廠家的最新發(fā)布數(shù)據(jù)中，平面柵的最新一代技術(shù)也在不斷優(yōu)化溝道電阻，優(yōu)化后的平面柵，也被發(fā)現(xiàn)其最新技術(shù)的溫度漂移會(huì)比上一代更明顯。伴隨更多的碳化硅器件廠家開(kāi)始轉(zhuǎn)向溝槽柵Trench技術(shù)，導(dǎo)通電阻的溫度漂移現(xiàn)象會(huì)越來(lái)越常見(jiàn)。
理解溫度漂移本身只是理解了參數(shù)現(xiàn)象，最終我們還是要解決客戶的實(shí)際使用問(wèn)題。為了便于客戶設(shè)計(jì)，英飛凌CoolSiC? MOSFET G2的規(guī)格書可以提供高溫下導(dǎo)通電阻的最大值，讓客戶的設(shè)計(jì)減少不必要的降額設(shè)計(jì)，從而用足器件的最大出力。
結(jié)論
SiC性能評(píng)價(jià)原則是多元的，有開(kāi)關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗、封裝熱阻/雜感、魯棒性及可靠性等。
高溫漂移現(xiàn)象反映了SiC的物理特性，英飛凌為用戶提供全面完善的設(shè)計(jì)參數(shù)，便于更高效地用足器件性能。
致力節(jié)能減排，共達(dá)零碳未來(lái)
“高質(zhì)量就是低成本，低質(zhì)量就是高成本”，這是我近期從國(guó)內(nèi)一家大客戶那里學(xué)習(xí)到的產(chǎn)業(yè)洞察。真正能夠穿越周期的高能效碳化硅技術(shù)，底層邏輯離不開(kāi)值得信賴的高可靠性和高質(zhì)量。高質(zhì)量才是高能效，高性價(jià)比離不開(kāi)高可靠性。
“不是因?yàn)橄Ｍ圆艌?jiān)持，而是因?yàn)閳?jiān)持才能看到希望”。英飛凌秉持長(zhǎng)期主義，并致力于成為低碳化轉(zhuǎn)型時(shí)代的首選零碳技術(shù)創(chuàng)新伙伴。為了達(dá)到這一目標(biāo)，英飛凌不斷迭代優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，2024年推出了第二代Gen 2 CoolSiC? MOSFET，除了保持英飛凌一貫以來(lái)的高可靠性標(biāo)準(zhǔn)，更適應(yīng)多元化的評(píng)價(jià)體系，Gen 2的Rdson*A持續(xù)降低，開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)一步優(yōu)化，最高結(jié)溫達(dá)到200℃，采用先進(jìn)的.XT封裝技術(shù)，抗短路能力2微秒，綜合性能更上一層樓。接下來(lái)我們將會(huì)有一系列文章來(lái)介紹Gen 2 CoolSiC? MOSFET的性能及應(yīng)用，敬請(qǐng)關(guān)注。
評(píng)論