碳化硅模塊以及難點解析

電子發燒友網報道（文/梁浩斌）幾乎與電動汽車產業同步，碳化硅器件的發展也在近十多年間高速發展。作為第三代半導體，采用碳化硅材料所制造的半導體器件在電氣特性上的優異表現，讓它在電動汽車應用上受到了業界關注，隨著市場對電動汽車長續航、高壓電氣架構、快充等需求，碳化硅正在電動汽車上加速普及。

近幾年可以看到國內多家廠商，包括整車廠、功率器件廠商等都在陸續推出車規級碳化硅功率模塊產品，同時也有國內廠商推出車規碳化硅MOSFET產品，那么碳化硅模塊與碳化硅MOSFET有什么區別？

碳化硅模塊和碳化硅MOSFET的區別

一般我們說碳化硅MOSFET的時候是指碳化硅MOSFET單管，即將碳化硅MOSFET芯片封裝在一個獨立的封裝中，比如典型的TO-220、TO-247封裝。碳化硅MOSFET單管通常有三個引腳，分別對應輸出端的Drain（漏極）、輸入端的Source（源極）和控制端的Gate（柵極）。

而當應用在大電流電路中時，出于對損耗以及散熱性能的要求，由多個單管、二極管等元件封裝在一起形成模塊的產品應運而生。碳化硅模塊又分為碳化硅MOSFET +碳化硅SBD構成，以及只由多個碳化硅單管構成的模塊兩種，而常用的結構又有H橋、半橋、全橋等。

圖源：賽米控

根據賽米控的數據，采用全碳化硅模塊在最大開關頻率下能夠最多相比同規格硅基IGBT功率模塊降低85%的開關損耗。而即使相比碳化硅MOSFET單管，碳化硅模塊的工作效率也由于在封裝中的寄生電感更低，開關損耗更低，因此工作效率、工作開關頻率更高，可以幫助減少無源器件的尺寸，以及整體模塊的尺寸。

不過，在前面提到碳化硅模塊的兩種形式之外，也有車企以及電控供應商采用單管并聯的方案來設計功率模塊。比如第一款大規模應用碳化硅功率器件的電動車型特斯拉Model 3上，采用了一種名為TPAK的封裝模塊并聯，在主驅逆變器功率模塊上共有24顆TPAK，采用單管并聯的方式排列，每顆TPAK封裝中有兩顆碳化硅MOSFET芯片，功率模塊整體有共48顆碳化硅MOSFET。

另外陽光電源此前推出的雙電機控制器中也采用了并聯TPAK的方案，并兼容硅基以及碳化硅基功率半導體。

碳化硅模塊的主要難點

碳化硅模塊主要難點可以分為兩大方面，一是引線鍵合、二是散熱。

引線鍵合是在一種在封裝中將多個器件之間進行互連的方式，一般使用細金屬線，利用熱、壓力、超聲波等使金屬引線與基板焊盤緊密焊合，但在模塊中復雜的互聯結構會產生較大的寄生電容或寄生電感。由于碳化硅器件具有高頻特性、柵極電荷低、開關速度快等特性，在實際應用中容易出現電壓過沖和振蕩現象，造成器件電壓應力、損耗增加和電磁干擾等問題。

因此在互連方面，目前正在從傳統的鋁線鍵合以及超聲焊接，逐步轉向鋁包銅線、銅線鍵合等方式，同時引線框架也采用銀燒結技術來代替傳統的鉛/錫合金焊。

在散熱方面，盡管碳化硅器件可以工作在更高的溫度，理論最高工作溫度可以超過500℃，但與此同時碳化硅功率模塊在相同功率等級下體積大幅降低，也就是功率密度較高，因此對散熱的要求其實反而更高了。即使是耐熱性能較好的碳化硅器件，在工作溫度過高的情況下也會造成性能下降，加上封裝材料的熱膨脹系數失配等，容易造成可靠性隱患。

所以目前在碳化硅模塊散熱上，通過優化傳熱距離以及傳熱面積的封裝，來提高散熱性能，比如通過雙面散熱、降低結構層數等方式來提升散熱效率。

小結：

隨著碳化硅模塊產品大規模落地，新能源汽車應用案例的增多，碳化硅模塊會在不久的將來成為電動汽車的標配。