【導(dǎo)讀】隨著全球?qū)稍偕茉春颓鍧嶋娏ο到y(tǒng)的需求不斷增長(zhǎng)，光儲(chǔ)充一體化市場(chǎng)為實(shí)現(xiàn)能源的高效利用和優(yōu)化配置提供了創(chuàng)新解決方案。在此趨勢(shì)引領(lǐng)下，碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)生態(tài)正迅速發(fā)展，逐漸成為替代傳統(tǒng)硅基功率器件的有力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)者。
隨著全球?qū)稍偕茉春颓鍧嶋娏ο到y(tǒng)的需求不斷增長(zhǎng)，光儲(chǔ)充一體化市場(chǎng)為實(shí)現(xiàn)能源的高效利用和優(yōu)化配置提供了創(chuàng)新解決方案。在此趨勢(shì)引領(lǐng)下，碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)生態(tài)正迅速發(fā)展，逐漸成為替代傳統(tǒng)硅基功率器件的有力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)者。本文將聚焦于SiC材料的卓越屬性，探討安森美（onsemi）系列先進(jìn)的封裝技術(shù)為加速SiC導(dǎo)入新能源領(lǐng)域應(yīng)用提供的參考范例。
光儲(chǔ)充應(yīng)用市場(chǎng)需求持續(xù)上漲
從逆變器到充電器，SiC在新能源產(chǎn)業(yè)鏈中的全方位革命
眾所周知，SiC材料具有卓越的高溫性能、高效率、高頻開(kāi)關(guān)能力以及耐高溫和高可靠性等，為功率電子領(lǐng)域帶來(lái)了革命性的變化。這些特性不僅使得SiC器件在高功率應(yīng)用中表現(xiàn)出色，還有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化設(shè)計(jì)，降低整體系統(tǒng)的重量和體積。
具體而言，SiC產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展主要得益于太陽(yáng)能逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)和電動(dòng)汽車(chē)等關(guān)鍵應(yīng)用，SiC MOSFET和單管器件以其低功率損耗、高開(kāi)關(guān)頻率和高效率等優(yōu)勢(shì)，有效提升了系統(tǒng)的整體性能和可靠性。
例如在工業(yè)應(yīng)用中SiC MOSFET可以實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率；能源基礎(chǔ)設(shè)施中SiC MOSFET可以提高功率密度，減少系統(tǒng)的尺寸、重量以及組件數(shù)；在電動(dòng)汽車(chē)充電器應(yīng)用中，SiC MOSFET也可提供更快的充電速度和更低的冷卻成本……可以說(shuō)隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，SiC器件的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大，從工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)到能源基礎(chǔ)設(shè)施，再到電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)備，推動(dòng)整個(gè)能源行業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級(jí)。
安森美為能源基礎(chǔ)設(shè)施解決方案提供完整的解決方案
作為一家擁有完整端到端SiC供應(yīng)鏈的半導(dǎo)體制造商，安森美利用了行業(yè)領(lǐng)先的IGBT和SiC技術(shù)，以及最高效的封裝，從原材料到最終成品，從襯底到模塊全覆蓋，質(zhì)量控制貫穿所有環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)碳化硅制造價(jià)值鏈實(shí)現(xiàn)全面控制。安森美在器件應(yīng)用和建模方面豐富的經(jīng)驗(yàn)，可以幫助用戶(hù)為最終應(yīng)用選擇合適的碳化硅產(chǎn)品，保證在最終應(yīng)用中提供更佳、更可靠的性能和制造能力。
封裝技術(shù)進(jìn)階，解鎖SiC性能上限
另一方面，盡管SiC功率器件已經(jīng)被認(rèn)為是下一代功率電子應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，如何充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)性能則給封裝技術(shù)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)封裝雜散電感參數(shù)較大，難以匹配器件的快速開(kāi)關(guān)特性；器件高溫工作時(shí)，封裝可靠性降低；模塊的多功能集成封裝與高功率密度需求如何匹配等等。因此，從高溫穩(wěn)定性到模塊集成，再到環(huán)境因子和測(cè)試驗(yàn)證，封裝技術(shù)的研究和發(fā)展正與SiC器件技術(shù)并行進(jìn)展。
?封裝
安森美提供的以下各種封裝
TOLL封裝是市場(chǎng)上的新產(chǎn)品，我們將特別介紹。
?TOLL封裝
在小空間內(nèi)提供高度可靠的電源設(shè)計(jì)的能力正在成為許多領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，包括工業(yè)、高性能電源和服務(wù)器應(yīng)用。安森美是業(yè)內(nèi)最早推出TO-Leadless (TOLL) 封裝SiC MOSFET的廠(chǎng)商之一，該晶體管滿(mǎn)足了對(duì)適用于高功率密度設(shè)計(jì)的高性能開(kāi)關(guān)器件快速增長(zhǎng)的需求。TOLL封裝的占位面積僅為 9.90 mm x 11.68 mm，與D2PAK封裝相比，PCB面積可節(jié)省30%。它的外形僅為2.30毫米，占用的體積比D2PAK封裝小60%。
除了尺寸更小外，TOLL封裝還提供比D2PAK 7引線(xiàn)更好的熱性能和更低的封裝電感，其開(kāi)爾文源(Kelvin Source)配置確保更低的柵極噪聲和開(kāi)關(guān)損耗。與沒(méi)有開(kāi)爾文配置的器件相比，包括開(kāi)啟損耗 (EON) 降低60%，確保在具有挑戰(zhàn)性的電源設(shè)計(jì)中顯著提高效率和功率密度作為改進(jìn)的EMI 和更容易的PCB設(shè)計(jì)。
安森美第一款采用TOLL封裝的SiC MOSFET是NTBL045N065SC1，其VDSS 額定值為650V，典型RDS(on)為33 mΩ，最大漏極電流為73 A。該器件的最高工作溫度為175°C和超低柵極電荷，可顯著降低開(kāi)關(guān)損耗。此外，TOLL 封裝具有 MSL 1（濕度敏感度1級(jí)）等級(jí)，適用于要求苛刻的應(yīng)用，包括開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)、服務(wù)器和電信電源、太陽(yáng)能逆變器、不間斷電源(UPS)和儲(chǔ)能，同時(shí)適用于需要滿(mǎn)足最具挑戰(zhàn)性的效率標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，包括ErP和80 PLUS Titanium。
?SiC模塊化封裝
隨著SiC器件應(yīng)用場(chǎng)景的拓展，越來(lái)越多的應(yīng)用需要多個(gè)器件在一個(gè)模塊中集成。因此，集成封裝技術(shù)成為了SiC器件封裝領(lǐng)域的一個(gè)新的研究方向，不僅要考慮每個(gè)單獨(dú)器件的性能，還需要確保整體模塊的性能、穩(wěn)定性和可靠性。
與單管封裝相比，SiC功率模塊在降低寄生效應(yīng)、提高散熱性能以及增強(qiáng)長(zhǎng)期可靠性和耐溫性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。例如模塊化的封裝可以減少高速開(kāi)關(guān)導(dǎo)致關(guān)斷期間電壓尖峰增加，而減少封裝的寄生電感可以減輕應(yīng)力，SiC設(shè)備可以在400°C以上的環(huán)境中工作，但其器件的溫度仍受限于封裝材料，如成型化合物、互連、晶片附著等。
在安森美的SiC模塊化封裝產(chǎn)品中，VE-Trac B2 SiC模塊在一個(gè)半橋架構(gòu)中集成了安森美的所有SiC MOSFET技術(shù)。裸片連接采用銀燒結(jié)技術(shù)，壓鑄模工藝用于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)固的封裝，提高了能效、功率密度和可靠性。該模塊符合AQG 324汽車(chē)功率模塊標(biāo)準(zhǔn)，其SiC芯片組采用安森美的M1 SiC技術(shù)，從而提供高電流密度、強(qiáng)大的短路保護(hù)、高阻斷電壓和高工作溫度，在電動(dòng)汽車(chē)主驅(qū)應(yīng)用中帶來(lái)了領(lǐng)先同類(lèi)的性能。
SiC材料技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，為高性能電子設(shè)備帶來(lái)了重要價(jià)值，而封裝技術(shù)的優(yōu)化和創(chuàng)新，則進(jìn)一步推動(dòng)了SiC器件的性能提升和市場(chǎng)導(dǎo)入。在未來(lái)，隨著兩者進(jìn)一步完善，我們期待SiC功率器件在功率電子應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。
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