WNEVC 2022 | 基本半導體魏煒：碳化硅MOSFET技術解析

由中國科學技術協會、北京市人民政府、海南省人民政府、科技部、工業和信息化部、生態環境部、住房和城鄉建設部、交通運輸部、國家市場監督管理總局、國家能源局聯合主辦的第四屆世界新能源汽車大會(WNEVC 2022)于8月26日至28日在北京和海南線上線下舉辦。其中，北京會場位于北京經濟技術開發區藝創國際會展中心。

會議由中國汽車工程學會等單位主辦，將以“碳中和愿景下的全電動化與全球合作”為主題，邀請全球政產學研各界代表共同探討。大會將包括20多場會議，13，000平方米的技術展覽和許多同期活動。200多位政府高級領導人、海外機構官員、全球商界領袖、學者和行業專家將出席會議并發表演講。

其中，基礎半導體技術市場總監魏偉在8月26日舉行的技術研討會上發表了精彩演講:“汽車規格芯片的技術突破與產業化發展”。

以下為現場演講:

你好，我是基礎半導體的魏偉。我很高興參加今天的會議。我給大家帶來的話題是關于碳化硅MOSFET技術芯片和模塊工藝的一些話題。

這是目錄。我們先來看碳化硅MOSFET芯片。其結構是Rdson的內阻，也是MOSFET可靠性的難點和應用中的風險點。另一部分是關于MOSFET模塊的先進封裝技術，主要有三點，一是銀燒結技術，二是芯片DTS技術，三是先進的陶瓷覆銅板材料。從這里開始說吧。

先說最簡單的MOS是怎么開和關的。在P型硅點的頂部制作兩個N型區，然后分別在頂部、紅色氧化層和綠色金屬層上制作氧化層和金屬層。然后我們在金屬和P型硅之間施加一個柵極電壓，這里就會產生電場效應。電場作用會讓綠色的帶正電，綠色金屬的反面是氧化層的反面，會在這一面感應出負電荷。但實際上這是一個P型硅點，P型的電子不多，但因為電場強，這里會有很多高密度的電子。所以這個局部的材料性質會從原來的P型變成N型，我們把這個過程叫做“反轉”。反轉后這個區域的屬性會從P型變成N型，這個是N，這個也是N，中間也有N，所以和N連在一起，所以外面加一個負載，電流經過這個地方就導通了。所以我們說這張圖中藍色的區域是MOSFET的結構。

有了這個知識基礎之后，我們再來看看現實中的MOSFET是什么樣子的。這里是截面圖，是目前垂直導電MOSFET的基本結構。

我們說上面紅色的部分是源極，下面是漏極，所以電流從漏極流入，從源極流出，從下面流出。藍框的位置是通道，左右對稱。我們現在把屏幕上的區域叫做原包，這個原包的基本結構是這樣的。有一個柵極，兩邊有溝道，藍色的是溝道，然后電流流過這個地方，所以這叫基本MOSFET結構。

接下來，我們來說說MOSFET的內阻是如何構成的。我們常說對MOSFET影響最大的是電阻，因為引線和電阻是正相關的，那么電阻是由什么組成的呢？先說Rdson這個術語。Rdson在平面光柵的加工過程中由八部分組成，如圖所示。從上到下，第一部分叫源極接觸電阻，意思是紅色源極的金屬和半導體的源極以N+結尾，會有接觸電阻……聯系時ce。那么源區的電流叫做RN+，那么這里的電流叫做溝道電阻。剛才我們說這個區域是溝道，然后電流出來是RA電阻，再下來是JFET電阻，再下來是漂移區電阻RD，再下來是襯底區電阻。這里一旦有接觸，半導體電流就會被導入金屬中，稱為接觸電阻，最后電流就出來了。因此，總共有八個電阻。

讓我們看下一頁。我們經常連接到碳化硅MOSFET，會有一個溝槽柵極。那么溝門是什么樣子的呢？圖為溝門。先說在碳化硅的材料里，挖一個槽，在這個槽里填充氧化層然后填充柵極。這個綠色的就是網格，會形成溝槽網格的樣子。但其實這個圖中的知識并不局限于碳化硅或者硅，因為硅MOSFET也是這樣的，所以無所謂。

我們來看看這個結構和之前的有什么不同。首先試著找出通道在哪里，藍色的部分就是通道。你會發現這個通道和上圖不一樣，因為上圖是橫的，這張是豎的。先說一下它阻力的構成。我們會發現這種結構的MOSFET少了一部分電阻，所以只有七部分組成。分別是這個接觸電阻，源電阻，溝道電阻，積累電阻，有一個電阻缺失了，那就是JFET電阻，剛才圖中有，現在沒有了。其他都一樣，漂移電阻，然后是襯底電阻，然后是源極接觸電阻。因為這個電阻比較少，可以減少一個電阻，所以在制作MOSFET的時候，制作溝槽柵比較有利，這就是它可以降低電阻的原因。

那我們來看看這樣一個題目。在剛才說碳化硅之前，我想先說一下硅。它的Rdson在硅的MOSFET結構中所占的比例是一種怎樣的存在？讓我們看看這個盒子。這里描述的是一個由硅制成的600V MOSFET。它的抵抗力是如何形成的？如果你看紅色方框中的部分，它是JFET與漂移阻力的比值。我們會發現這個比例大得驚人，非常高，高到其他數字根本不大。這是硅MOSFET的一般組成。

然后我們得出一個結論，硅電極高壓MOSFET中Rdson的主要矛盾是漂移區的電阻，就像剛才那張圖。我們這里有一個公式，叫做在硅的高壓MOSFET中，對其器件的擊穿電壓和內阻有一個經驗共識。通俗地說，這種硅MOSFET的內阻與內壓的2.5次方成正比。這就導致了一個現象。當硅材料的MOSFET內壓上升時，其內阻會上升很快，以至于在高壓場景下，硅材料的MOSFET經濟性差，因為電阻特別大，所以不好用。那么我們來看看超結技術。超結技術實際上降低了MOSFET漂移區的電阻，可以大大降低感應電阻。

我們來看看下面這個概念。什么是漂移區？漂移區在圖中是這樣的。它在藍色區域，也就是我們標記的漂移區。我們剛才說的漂移區電阻是一個很大的比例。先說漂移區有什么用？有兩個，第一個涉及傳導，第二個是復雜的背電壓，第二個更關鍵。內部壓力由電壓支持。因此，為了將電壓帶回來，需要折衷該區域的厚度和濃度。讓我們看看基本規則是什么。此圖描述了碳化硅材料或硅材料的反電壓規律。這里建立了一個值，這是內阻規律，也是其他材料的基本性質。我們會發現，如果要保持一定的電壓，這個電阻的值會和材料臨界擊穿的三次方成反比。這是什么意思？因為這種材料的臨界擊穿電場比較強，電阻會很低。此時，在固定電壓值的情況下，其電阻將為b……比較接近。如果我把硅和電壓硅對比，你會發現碳化硅的臨界擊穿電場強度比硅高10倍。這會導致在相同擊穿電壓下，固化漂移區比導電痛點硅小2000倍以上，這個數字會非常驚人。這樣就會得出一個結論，碳化硅MOSFET在高壓場景下的性能是非常優秀的，因為我可以用非常薄的材料來承受高電壓，然后我的電阻比較小。所以完成背電壓會很優秀。

那么我們來看看碳化硅MOSFET Rdson在實戰中的組成。這里舉個例子，不過這個例子沒有一般的意義，但是會給人一種定性的感覺。也就是你可以看到1200V MOSFET的電阻構成比較分散。首先你會看到通道的電阻比不是硅那樣的小頻率，而是比較高的頻率，有可能打到30或者40以上。JFET電阻有一定的頻率，漂移區和襯底也有一定的頻率。你可以看到，這個比例和剛才硅的比例相差很大。

現在來說說渠道阻力的表現。這張圖是MOSFET的溝道電阻的表達式。這個表達式中有幾個值，這里告訴你通道的電阻是由什么組成的。一個是長度LCH，一個是原封裝的寬度Wcell，然后是電子uni和Cox柵氧化層的電容層，一個是柵電壓和柵閾值，這兩個都有關系。從這個指示也可以看出一個有趣的規律。

因為溝道比在高壓硅MOSFET中非常不重要，所以提高閾值GS電壓不能降低或者根本不重要。但是如果在碳化硅MOSFET中情況就不一樣了，因為碳化硅和這種情況占30%-40%，甚至50%，所以如果我提高柵極電壓，總電阻會受到這個權重的影響，30%-40%，50%，所以討論碳化硅MOSFET中GS的電壓，不討論GS的閾值電壓，可以明顯降低Rdson。所以在碳化硅MOSFET中，經常提到要使用高柵壓低閾值電壓。正是這個原因，一切都建立在反抗的基礎上。

我們看到這里還有一個因素，就是電流遷移率，在這個位置有一個電阻遷移率。我們還可以看到，電阻遷移率是因素之一。但在實戰中，這個因素影響很大，可以明顯影響碳化硅的好壞差別。

首先，這是一個關于MOSFET可靠性的難題。有一個問題。這個門有壽命問題，我們要評估它的壽命。方法是外推法。未來我們會從柵壓中找出影響程度，然后就可以預測負柵壓20下的水平。

還有一個話題，就是碳化硅MOSFET開關時Du/dt的應力。我們說碳化硅MOSFET在汽車中用作電機驅動。由于碳化硅MOSFET的Du/dt水平遠高于IGBT，這種相對較高的du/dt會導致電極的電機層定子側繞組中的漆包線，線間絕緣會有一定的電容，DU/DT會使共模電流傳入電容。共模電流實際上會損害漆包線的壽命。所以在使用碳化硅之后，電機的設計還需要再次改進，否則電機可能會更早掛機，所以這是一個非常現實的問題。

我們再來看這個題目，叫做碳化硅MOSFET的同步整流模式，因為以前我們搞電機驅動的時候，很少用到MOSFET，至少是非典型的。然后大部分用IGBT，但是IGBT沒有同步整流模式，它的電流導致電流通過二極管。鑒于二極管芯片和IGBT芯片大多是分開的，MOSFET里面的情況就不一樣了，因為它有同步整流模式，也就是說當T2關斷時電流通過，MOSFET就會從二極管跑到溝道。這個功能將是一個新的挑戰，然后讓設計師做出一些改變。讓我們看看這個地方，它可以告訴你，碳化硅MOSFET的T2級晶體管的正負引導特性并不優秀。它的電壓……rop比較高，正常是5伏。所以二極管不是很好。這個只有死了時間之后才能趕進溝里，不然業績就大了，就是損失高。

另一個主題是關于MOSFET的隔離驅動器和共模噪聲。驅動器的共模噪聲很大，所以驅動器能不能做到需要大量的MOSFET，所以隔離芯片的共模移植能力必須非常好。還有一個短路能力，MOSFET短路能力是很多要模擬的，這是我們真實的結果。

再看短路保護。短路保護和以前的IGBT沒有太大區別，但是它的允許時間會縮短很多，大概1.8us-2.3us，比較窄，所以三個電路的調試程度比較高。

現在我們來看模塊中的銀燒結技術。在模塊中，它的芯片和頂層是夾層結構，但通常有兩種連接方式，一種是焊接，一種是燒結。焊接是用焊料連接兩個物體，刪節是用銀燒結連接兩個物體。其實燒結料的芯不太好，很常見。首先厚度很厚，不能特別薄。第二導熱系數大約是50 w/m * k，燃燒接頭在這個問題上有了很大的改進。

現在我們來談談焊接的缺點:

1.同樣的系統溫度太高，機械可靠性不好，因為工作溫度源的熔點有點接近，所以這樣不好，會導致相變。

2.連接層的溫度循環和功率循環能力較弱。由中國科學技術協會、北京市人民政府、海南省人民政府、科技部、工業和信息化部、生態環境部、住房和城鄉建設部、交通運輸部、國家市場監督管理總局、國家能源局聯合主辦的第四屆世界新能源汽車大會(WNEVC 2022)于8月26日至28日在北京和海南線上線下舉辦。其中，北京會場位于北京經濟技術開發區藝創國際會展中心。

會議由中國汽車工程學會等單位主辦，將以“碳中和愿景下的全電動化與全球合作”為主題，邀請全球政產學研各界代表共同探討。大會將包括20多場會議，13，000平方米的技術展覽和許多同期活動。200多位政府高級領導人、海外機構官員、全球商界領袖、學者和行業專家將出席會議并發表演講。

其中，基礎半導體技術市場總監魏偉在8月26日舉行的技術研討會上發表了精彩演講:“汽車規格芯片的技術突破與產業化發展”。

以下為現場演講:

你好，我是基礎半導體的魏偉。我很高興參加今天的會議。我給大家帶來的話題是關于碳化硅MOSFET技術芯片和模塊工藝的一些話題。

這是目錄。我們先來看碳化硅MOSFET芯片。其結構是Rdson的內阻，也是MOSFET可靠性的難點和應用中的風險點。另一部分是關于MOSFET模塊的先進封裝技術，主要有三點，一是銀燒結技術，二是芯片DTS技術，三是先進的陶瓷覆銅板材料。從這里開始說吧。

先說最簡單的MOS是怎么開和關的。在P型硅點的頂部制作兩個N型區，然后分別在頂部、紅色氧化層和綠色金屬層上制作氧化層和金屬層。然后我們在金屬和P型硅之間施加一個柵極電壓，這里就會產生電場效應。電場作用會讓綠色的帶正電，綠色金屬的反面是氧化層的反面，會在這一面感應出負電荷。但事實上，這是一個P型硅點，而P型沒有……ny個電子，但是因為電場強，這里會有很多高密度的電子。所以這個局部的材料性質會從原來的P型變成N型，我們把這個過程叫做“反轉”。反轉后這個區域的屬性會從P型變成N型，這個是N，這個也是N，中間也有N，所以和N連在一起，所以外面加一個負載，電流經過這個地方就導通了。所以我們說這張圖中藍色的區域是MOSFET的結構。

有了這個知識基礎之后，我們再來看看現實中的MOSFET是什么樣子的。這里是截面圖，是目前垂直導電MOSFET的基本結構。

我們說上面紅色的部分是源極，下面是漏極，所以電流從漏極流入，從源極流出，從下面流出。藍框的位置是通道，左右對稱。我們現在把屏幕上的區域叫做原包，這個原包的基本結構是這樣的。有一個柵極，兩邊有溝道，藍色的是溝道，然后電流流過這個地方，所以這叫基本MOSFET結構。

接下來，我們來說說MOSFET的內阻是如何構成的。我們常說對MOSFET影響最大的是電阻，因為引線和電阻是正相關的，那么電阻是由什么組成的呢？先說Rdson這個術語。Rdson在平面光柵的加工過程中由八部分組成，如圖所示。從上到下第一部分叫做源極接觸電阻，意思是紅色源極的金屬和半導體的源極以N+結尾，接觸時會有一個接觸電阻。那么源區的電流叫做RN+，那么這里的電流叫做溝道電阻。剛才我們說這個區域是溝道，然后電流出來是RA電阻，再下來是JFET電阻，再下來是漂移區電阻RD，再下來是襯底區電阻。這里一旦有接觸，半導體電流就會被導入金屬中，稱為接觸電阻，最后電流就出來了。因此，總共有八個電阻。

讓我們看下一頁。我們經常連接到碳化硅MOSFET，會有一個溝槽柵極。那么溝門是什么樣子的呢？圖為溝門。先說在碳化硅的材料里，挖一個槽，在這個槽里填充氧化層然后填充柵極。這個綠色的就是網格，會形成溝槽網格的樣子。但其實這個圖中的知識并不局限于碳化硅或者硅，因為硅MOSFET也是這樣的，所以無所謂。

我們來看看這個結構和之前的有什么不同。首先試著找出通道在哪里，藍色的部分就是通道。你會發現這個通道和上圖不一樣，因為上圖是橫的，這張是豎的。先說一下它阻力的構成。我們會發現這種結構的MOSFET少了一部分電阻，所以只有七部分組成。分別是這個接觸電阻，源電阻，溝道電阻，積累電阻，有一個電阻缺失了，那就是JFET電阻，剛才圖中有，現在沒有了。其他都一樣，漂移電阻，然后是襯底電阻，然后是源極接觸電阻。因為這個電阻比較少，可以減少一個電阻，所以在制作MOSFET的時候，制作溝槽柵比較有利，這就是它可以降低電阻的原因。

那我們來看看這樣一個題目。在剛才說碳化硅之前，我想先說一下硅。它的Rdson在硅的MOSFET結構中所占的比例是一種怎樣的存在？讓我們看看這個盒子。這里描述的是一個由硅制成的600V MOSFET。它的抵抗力是如何形成的？如果你看紅色方框中的部分，它是JFET與漂移阻力的比值。我們會發現這個比例大得驚人，非常高，高到其他數字根本不大。這是硅MOSFET的一般組成。

然后我們得出一個結論，硅電極高壓MOSFET中Rdson的主要矛盾是漂移區的電阻，就像剛才那張圖。我們這里有一個公式，叫做在硅的高壓MOSFET中，擊穿電壓和int……有一個經驗共識其器件的nal電阻。通俗地說，這種硅MOSFET的內阻與內壓的2.5次方成正比。這就導致了一個現象。當硅材料的MOSFET內壓上升時，其內阻會上升很快，以至于在高壓場景下，硅材料的MOSFET經濟性差，因為電阻特別大，所以不好用。那么我們來看看超結技術。超結技術實際上降低了MOSFET漂移區的電阻，可以大大降低感應電阻。

我們來看看下面這個概念。什么是漂移區？漂移區在圖中是這樣的。它在藍色區域，也就是我們標記的漂移區。我們剛才說的漂移區電阻是一個很大的比例。先說漂移區有什么用？有兩個，第一個涉及傳導，第二個是復雜的背電壓，第二個更關鍵。內部壓力由電壓支持。因此，為了將電壓帶回來，需要折衷該區域的厚度和濃度。讓我們看看基本規則是什么。此圖描述了碳化硅材料或硅材料的反電壓規律。這里建立了一個值，這是內阻規律，也是其他材料的基本性質。我們會發現，如果要保持一定的電壓，這個電阻的值會和材料臨界擊穿的三次方成反比。這是什么意思？因為這種材料的臨界擊穿電場比較強，電阻會很低。此時，在電壓值固定的情況下，其電阻會比較接近。如果我把硅和電壓硅對比，你會發現碳化硅的臨界擊穿電場強度比硅高10倍。這會導致在相同擊穿電壓下，固化漂移區比導電痛點硅小2000倍以上，這個數字會非常驚人。這樣就會得出一個結論，碳化硅MOSFET在高壓場景下的性能是非常優秀的，因為我可以用非常薄的材料來承受高電壓，然后我的電阻比較小。所以完成背電壓會很優秀。

那么我們來看看碳化硅MOSFET Rdson在實戰中的組成。這里舉個例子，不過這個例子沒有一般的意義，但是會給人一種定性的感覺。也就是你可以看到1200V MOSFET的電阻構成比較分散。首先你會看到通道的電阻比不是硅那樣的小頻率，而是比較高的頻率，有可能打到30或者40以上。JFET電阻有一定的頻率，漂移區和襯底也有一定的頻率。你可以看到，這個比例和剛才硅的比例相差很大。

現在來說說渠道阻力的表現。這張圖是MOSFET的溝道電阻的表達式。這個表達式中有幾個值，這里告訴你通道的電阻是由什么組成的。一個是長度LCH，一個是原封裝的寬度Wcell，然后是電子uni和Cox柵氧化層的電容層，一個是柵電壓和柵閾值，這兩個都有關系。從這個指示也可以看出一個有趣的規律。

因為溝道比在高壓硅MOSFET中非常不重要，所以提高閾值GS電壓不能降低或者根本不重要。但是如果在碳化硅MOSFET中情況就不一樣了，因為碳化硅和這種情況占30%-40%，甚至50%，所以如果我提高柵極電壓，總電阻會受到這個權重的影響，30%-40%，50%，所以討論碳化硅MOSFET中GS的電壓，不討論GS的閾值電壓，可以明顯降低Rdson。所以在碳化硅MOSFET中，經常提到要使用高柵壓低閾值電壓。正是這個原因，一切都建立在反抗的基礎上。

我們看到這里還有一個因素，就是電流遷移率，在這個位置有一個電阻遷移率。我們還可以看到，電阻遷移率是因素之一。但在實戰中，這個因素影響很大，可以明顯影響碳化硅的好壞差別。

首先，這是一個關于MOSFET可靠性的難題。有一個問題。這支……有生活問題，所以我們要評估它的生活。方法是外推法。未來我們會從柵壓中找出影響程度，然后就可以預測負柵壓20下的水平。

還有一個話題，就是碳化硅MOSFET開關時Du/dt的應力。我們說碳化硅MOSFET在汽車中用作電機驅動。由于碳化硅MOSFET的Du/dt水平遠高于IGBT，這種相對較高的du/dt會導致電極的電機層定子側繞組中的漆包線，線間絕緣會有一定的電容，DU/DT會使共模電流傳入電容。共模電流實際上會損害漆包線的壽命。所以在使用碳化硅之后，電機的設計還需要再次改進，否則電機可能會更早掛機，所以這是一個非常現實的問題。

我們再來看這個題目，叫做碳化硅MOSFET的同步整流模式，因為以前我們搞電機驅動的時候，很少用到MOSFET，至少是非典型的。然后大部分用IGBT，但是IGBT沒有同步整流模式，它的電流導致電流通過二極管。鑒于二極管芯片和IGBT芯片大多是分開的，MOSFET里面的情況就不一樣了，因為它有同步整流模式，也就是說當T2關斷時電流通過，MOSFET就會從二極管跑到溝道。這個功能將是一個新的挑戰，然后讓設計師做出一些改變。讓我們看看這個地方，它可以告訴你，碳化硅MOSFET的T2級晶體管的正負引導特性并不優秀。它的電壓降相對較高，正常情況下為5伏。所以二極管不是很好。這個只有死了時間之后才能趕進溝里，不然業績就大了，就是損失高。

另一個主題是關于MOSFET的隔離驅動器和共模噪聲。驅動器的共模噪聲很大，所以驅動器能不能做到需要大量的MOSFET，所以隔離芯片的共模移植能力必須非常好。還有一個短路能力，MOSFET短路能力是很多要模擬的，這是我們真實的結果。

再看短路保護。短路保護和以前的IGBT沒有太大區別，但是它的允許時間會縮短很多，大概1.8us-2.3us，比較窄，所以三個電路的調試程度比較高。

現在我們來看模塊中的銀燒結技術。在模塊中，它的芯片和頂層是夾層結構，但通常有兩種連接方式，一種是焊接，一種是燒結。焊接是用焊料連接兩個物體，刪節是用銀燒結連接兩個物體。其實燒結料的芯不太好，很常見。首先厚度很厚，不能特別薄。第二導熱系數大約是50 w/m * k，燃燒接頭在這個問題上有了很大的改進。

現在我們來談談焊接的缺點:

1.同樣的系統溫度太高，機械可靠性不好，因為工作溫度源的熔點有點接近，所以這樣不好，會導致相變。

2.連接層的溫度循環和功率循環能力較弱。據外媒報道，大眾汽車宣布，該公司將從2024年起僅在挪威銷售電動汽車。在電動汽車的銷售比例方面，挪威是世界上領先的國家。2021年，全國銷售的所有新車中，64.5%是純電動汽車。據外媒報道，大眾汽車宣布，該公司將從2024年起僅在挪威銷售電動汽車。在電動汽車的銷售比例方面，挪威是世界上領先的國家。2021年，全國銷售的所有新車中，64.5%是純電動汽車。

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