2020WNEVC前沿技术解读｜高功率密度硅基氮化镓功率模块技术

技术前瞻性

在新能源汽车发展技术中，不可或缺的材料为功率半导体器件。为了达到有效率的能源转换，硅基氮化镓模块预期在无线充电、车载充电机、服务器、整流器、驱动逆变器、以及车辆到电网的电力储存中被用来取代现行的硅基或者IGBT模块。使用硅基氮化镓功率模块，可以减小整个系统的尺寸、重量，还可以减少电力的消耗，从而提升成本效益。例如使用高功率密度硅基氮化镓功率模块，可以将200千瓦逆变器的效率从95％提高到99％，即将满负载下的功率损耗从10 千瓦降低到2 千瓦。损耗的减少使得冷却需求也相应减少，即减少能量并且将冷却系统的尺寸和重量变小。另一方面，在过去的5年里，硅基氮化稼电力电子系统的低成本解决方案已经在积极探索中。在大多数晶圆厂，硅基氮化稼晶圆直径可达8英寸，预计未来很快可达12英寸，而目前氮化硅晶圆的直径为4-8英寸。最主要的原因是在硅衬底上生长的氮化稼薄膜，这种薄膜具有大直径和低成本的特点。尽管氮化稼和硅晶格之间的不匹配在外延片生长中造成了很大的困难，但是氮化稼性能的前景与硅的同类产品相当，这使得它成为混合动力车应用的主要候选材料。

技术引领性

在功率模块设计上，着重要解决模块效率及散热问题，上海钊辉科技有限公司(信通集团)开发的硅基氮化镓功率模块，采用耐高压、低导通电阻之硅基氮化镓功率器件，在封装材料上选择奈米烧结银及高导热、高机械强度氮化硅基板（200瓦/公尺克耳文(W/mK)），以降低模块热阻、降低开关损耗、降低导通电阻损耗，在电路板布局设计上也使用双回路布局设计，有效地降低杂散电感(

技术颠覆性

在近30年以来，许多国际半导体功率器件大厂每年都会更新硅功率器件的质量及其性能，其中质量因子( Figure of Merit )就是一个重要的指标，以目前半导体制程能力，质量因子已低于0.1Ω-mm2，几乎达到了器件的理论值极限。也因为如此，才会有宽禁带器件的诞生，耐高电压、耐高电流、良好的热管理、高操作频率等等都与宽禁带息息相关。也因此在新能源的应用中，宽禁带功率器件是半导体及封装技术中不可或缺的新宠儿，也将为半导体领域带来颠覆性地发展。宽禁带功率器件中，硅基氮化镓与其他宽禁带半导体器件最大的不同在于，硅基氮化镓器件在制程方面可以藉由磊晶的成分比例或是超晶格等结构，利用异质磊晶的方式生长在硅基板上，再加上硅的制程技术对于6寸、8寸甚至是12寸的晶圆都具有相当的成熟度，在此生产制程技术有一定稳定度下，硅基氮化镓的生产制程技术可以在短时间内达到相当的水平，且可拥有多种晶圆尺寸的生产技术。在功率半导体器件中，从导通到关断所需的组件传导率和电荷数量需达到一个平衡，也因此RQg乘积的质量因子(FOM)成为一个关键性的指标。这个指标被定义为器件的导通电阻乘以正常工作电压和电流条件下开关组件所必须向闸极提供的总电荷量，因此低导通电阻损失与低切换损失将会是控制质量因子的关键参数，也是硅基氮化镓器件的价值所在。

技术未来发展预期

1200V硅基氮化镓模块于2018年由VisIC Technologies成功开发，并在当年欧洲PCIM展出，1200V硅基氮化镓其导通电阻仅为40mΩ，硅基氮化镓模块具有低闸极电荷、电容及导通电阻，其切换损失低于140µJ，相对碳化硅组件降低3-5倍，提供了高性价比解决方案，适用于800V电池系统匹配的电驱动系统。除此外，硅基氮化镓模块在不降低效及制程良率下，可有效减少系统体积。研究预期，2025年硅基氮化镓的导通电阻可以低于10mΩ，高功率密度硅基氮化镓功率模块将更容易被实现于车辆牵引电机之中。氮化镓技术主要是以硅晶片作为基底，较容易在大尺寸晶片上生产，长期来说会有成本优势，而看好宽禁带元件的发展前景，更多的半导体业界厂商加速将氮化镓原件导入市场。