WNEVC 2022 | 基本半导体魏炜：碳化硅MOSFET技术解析

由中国科学技术协会、北京市人民政府、海南省人民政府、科技部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局联合主办的第四届世界新能源汽车大会(WNEVC 2022)于8月26日至28日在北京和海南线上线下举办。其中，北京会场位于北京经济技术开发区艺创国际会展中心。

会议由中国汽车工程学会等单位主办，将以“碳中和愿景下的全电动化与全球合作”为主题，邀请全球政产学研各界代表共同探讨。大会将包括20多场会议，13，000平方米的技术展览和许多同期活动。200多位政府高级领导人、海外机构官员、全球商界领袖、学者和行业专家将出席会议并发表演讲。

其中，基础半导体技术市场总监魏伟在8月26日举行的技术研讨会上发表了精彩演讲:“汽车规格芯片的技术突破与产业化发展”。

以下为现场演讲:

你好，我是基础半导体的魏伟。我很高兴参加今天的会议。我给大家带来的话题是关于碳化硅MOSFET技术芯片和模块工艺的一些话题。

这是目录。我们先来看碳化硅MOSFET芯片。其结构是Rdson的内阻，也是MOSFET可靠性的难点和应用中的风险点。另一部分是关于MOSFET模块的先进封装技术，主要有三点，一是银烧结技术，二是芯片DTS技术，三是先进的陶瓷覆铜板材料。从这里开始说吧。

先说最简单的MOS是怎么开和关的。在P型硅点的顶部制作两个N型区，然后分别在顶部、红色氧化层和绿色金属层上制作氧化层和金属层。然后我们在金属和P型硅之间施加一个栅极电压，这里就会产生电场效应。电场作用会让绿色的带正电，绿色金属的反面是氧化层的反面，会在这一面感应出负电荷。但实际上这是一个P型硅点，P型的电子不多，但因为电场强，这里会有很多高密度的电子。所以这个局部的材料性质会从原来的P型变成N型，我们把这个过程叫做“反转”。反转后这个区域的属性会从P型变成N型，这个是N，这个也是N，中间也有N，所以和N连在一起，所以外面加一个负载，电流经过这个地方就导通了。所以我们说这张图中蓝色的区域是MOSFET的结构。

有了这个知识基础之后，我们再来看看现实中的MOSFET是什么样子的。这里是截面图，是目前垂直导电MOSFET的基本结构。

我们说上面红色的部分是源极，下面是漏极，所以电流从漏极流入，从源极流出，从下面流出。蓝框的位置是通道，左右对称。我们现在把屏幕上的区域叫做原包，这个原包的基本结构是这样的。有一个栅极，两边有沟道，蓝色的是沟道，然后电流流过这个地方，所以这叫基本MOSFET结构。

接下来，我们来说说MOSFET的内阻是如何构成的。我们常说对MOSFET影响最大的是电阻，因为引线和电阻是正相关的，那么电阻是由什么组成的呢？先说Rdson这个术语。Rdson在平面光栅的加工过程中由八部分组成，如图所示。从上到下，第一部分叫源极接触电阻，意思是红色源极的金属和半导体的源极以N+结尾，会有接触电阻……联系时ce。那么源区的电流叫做RN+，那么这里的电流叫做沟道电阻。刚才我们说这个区域是沟道，然后电流出来是RA电阻，再下来是JFET电阻，再下来是漂移区电阻RD，再下来是衬底区电阻。这里一旦有接触，半导体电流就会被导入金属中，称为接触电阻，最后电流就出来了。因此，总共有八个电阻。

让我们看下一页。我们经常连接到碳化硅MOSFET，会有一个沟槽栅极。那么沟门是什么样子的呢？图为沟门。先说在碳化硅的材料里，挖一个槽，在这个槽里填充氧化层然后填充栅极。这个绿色的就是网格，会形成沟槽网格的样子。但其实这个图中的知识并不局限于碳化硅或者硅，因为硅MOSFET也是这样的，所以无所谓。

我们来看看这个结构和之前的有什么不同。首先试着找出通道在哪里，蓝色的部分就是通道。你会发现这个通道和上图不一样，因为上图是横的，这张是竖的。先说一下它阻力的构成。我们会发现这种结构的MOSFET少了一部分电阻，所以只有七部分组成。分别是这个接触电阻，源电阻，沟道电阻，积累电阻，有一个电阻缺失了，那就是JFET电阻，刚才图中有，现在没有了。其他都一样，漂移电阻，然后是衬底电阻，然后是源极接触电阻。因为这个电阻比较少，可以减少一个电阻，所以在制作MOSFET的时候，制作沟槽栅比较有利，这就是它可以降低电阻的原因。

那我们来看看这样一个题目。在刚才说碳化硅之前，我想先说一下硅。它的Rdson在硅的MOSFET结构中所占的比例是一种怎样的存在？让我们看看这个盒子。这里描述的是一个由硅制成的600V MOSFET。它的抵抗力是如何形成的？如果你看红色方框中的部分，它是JFET与漂移阻力的比值。我们会发现这个比例大得惊人，非常高，高到其他数字根本不大。这是硅MOSFET的一般组成。

然后我们得出一个结论，硅电极高压MOSFET中Rdson的主要矛盾是漂移区的电阻，就像刚才那张图。我们这里有一个公式，叫做在硅的高压MOSFET中，对其器件的击穿电压和内阻有一个经验共识。通俗地说，这种硅MOSFET的内阻与内压的2.5次方成正比。这就导致了一个现象。当硅材料的MOSFET内压上升时，其内阻会上升很快，以至于在高压场景下，硅材料的MOSFET经济性差，因为电阻特别大，所以不好用。那么我们来看看超结技术。超结技术实际上降低了MOSFET漂移区的电阻，可以大大降低感应电阻。

我们来看看下面这个概念。什么是漂移区？漂移区在图中是这样的。它在蓝色区域，也就是我们标记的漂移区。我们刚才说的漂移区电阻是一个很大的比例。先说漂移区有什么用？有两个，第一个涉及传导，第二个是复杂的背电压，第二个更关键。内部压力由电压支持。因此，为了将电压带回来，需要折衷该区域的厚度和浓度。让我们看看基本规则是什么。此图描述了碳化硅材料或硅材料的反电压规律。这里建立了一个值，这是内阻规律，也是其他材料的基本性质。我们会发现，如果要保持一定的电压，这个电阻的值会和材料临界击穿的三次方成反比。这是什么意思？因为这种材料的临界击穿电场比较强，电阻会很低。此时，在固定电压值的情况下，其电阻将为b……比较接近。如果我把硅和电压硅对比，你会发现碳化硅的临界击穿电场强度比硅高10倍。这会导致在相同击穿电压下，固化漂移区比导电痛点硅小2000倍以上，这个数字会非常惊人。这样就会得出一个结论，碳化硅MOSFET在高压场景下的性能是非常优秀的，因为我可以用非常薄的材料来承受高电压，然后我的电阻比较小。所以完成背电压会很优秀。

那么我们来看看碳化硅MOSFET Rdson在实战中的组成。这里举个例子，不过这个例子没有一般的意义，但是会给人一种定性的感觉。也就是你可以看到1200V MOSFET的电阻构成比较分散。首先你会看到通道的电阻比不是硅那样的小频率，而是比较高的频率，有可能打到30或者40以上。JFET电阻有一定的频率，漂移区和衬底也有一定的频率。你可以看到，这个比例和刚才硅的比例相差很大。

现在来说说渠道阻力的表现。这张图是MOSFET的沟道电阻的表达式。这个表达式中有几个值，这里告诉你通道的电阻是由什么组成的。一个是长度LCH，一个是原封装的宽度Wcell，然后是电子uni和Cox栅氧化层的电容层，一个是栅电压和栅阈值，这两个都有关系。从这个指示也可以看出一个有趣的规律。

因为沟道比在高压硅MOSFET中非常不重要，所以提高阈值GS电压不能降低或者根本不重要。但是如果在碳化硅MOSFET中情况就不一样了，因为碳化硅和这种情况占30%-40%，甚至50%，所以如果我提高栅极电压，总电阻会受到这个权重的影响，30%-40%，50%，所以讨论碳化硅MOSFET中GS的电压，不讨论GS的阈值电压，可以明显降低Rdson。所以在碳化硅MOSFET中，经常提到要使用高栅压低阈值电压。正是这个原因，一切都建立在反抗的基础上。

我们看到这里还有一个因素，就是电流迁移率，在这个位置有一个电阻迁移率。我们还可以看到，电阻迁移率是因素之一。但在实战中，这个因素影响很大，可以明显影响碳化硅的好坏差别。

首先，这是一个关于MOSFET可靠性的难题。有一个问题。这个门有寿命问题，我们要评估它的寿命。方法是外推法。未来我们会从栅压中找出影响程度，然后就可以预测负栅压20下的水平。

还有一个话题，就是碳化硅MOSFET开关时Du/dt的应力。我们说碳化硅MOSFET在汽车中用作电机驱动。由于碳化硅MOSFET的Du/dt水平远高于IGBT，这种相对较高的du/dt会导致电极的电机层定子侧绕组中的漆包线，线间绝缘会有一定的电容，DU/DT会使共模电流传入电容。共模电流实际上会损害漆包线的寿命。所以在使用碳化硅之后，电机的设计还需要再次改进，否则电机可能会更早挂机，所以这是一个非常现实的问题。

我们再来看这个题目，叫做碳化硅MOSFET的同步整流模式，因为以前我们搞电机驱动的时候，很少用到MOSFET，至少是非典型的。然后大部分用IGBT，但是IGBT没有同步整流模式，它的电流导致电流通过二极管。鉴于二极管芯片和IGBT芯片大多是分开的，MOSFET里面的情况就不一样了，因为它有同步整流模式，也就是说当T2关断时电流通过，MOSFET就会从二极管跑到沟道。这个功能将是一个新的挑战，然后让设计师做出一些改变。让我们看看这个地方，它可以告诉你，碳化硅MOSFET的T2级晶体管的正负引导特性并不优秀。它的电压……rop比较高，正常是5伏。所以二极管不是很好。这个只有死了时间之后才能赶进沟里，不然业绩就大了，就是损失高。

另一个主题是关于MOSFET的隔离驱动器和共模噪声。驱动器的共模噪声很大，所以驱动器能不能做到需要大量的MOSFET，所以隔离芯片的共模移植能力必须非常好。还有一个短路能力，MOSFET短路能力是很多要模拟的，这是我们真实的结果。

再看短路保护。短路保护和以前的IGBT没有太大区别，但是它的允许时间会缩短很多，大概1.8us-2.3us，比较窄，所以三个电路的调试程度比较高。

现在我们来看模块中的银烧结技术。在模块中，它的芯片和顶层是夹层结构，但通常有两种连接方式，一种是焊接，一种是烧结。焊接是用焊料连接两个物体，删节是用银烧结连接两个物体。其实烧结料的芯不太好，很常见。首先厚度很厚，不能特别薄。第二导热系数大约是50 w/m * k，燃烧接头在这个问题上有了很大的改进。

现在我们来谈谈焊接的缺点:

1.同样的系统温度太高，机械可靠性不好，因为工作温度源的熔点有点接近，所以这样不好，会导致相变。

2.连接层的温度循环和功率循环能力较弱。由中国科学技术协会、北京市人民政府、海南省人民政府、科技部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局联合主办的第四届世界新能源汽车大会(WNEVC 2022)于8月26日至28日在北京和海南线上线下举办。其中，北京会场位于北京经济技术开发区艺创国际会展中心。

会议由中国汽车工程学会等单位主办，将以“碳中和愿景下的全电动化与全球合作”为主题，邀请全球政产学研各界代表共同探讨。大会将包括20多场会议，13，000平方米的技术展览和许多同期活动。200多位政府高级领导人、海外机构官员、全球商界领袖、学者和行业专家将出席会议并发表演讲。

其中，基础半导体技术市场总监魏伟在8月26日举行的技术研讨会上发表了精彩演讲:“汽车规格芯片的技术突破与产业化发展”。

以下为现场演讲:

你好，我是基础半导体的魏伟。我很高兴参加今天的会议。我给大家带来的话题是关于碳化硅MOSFET技术芯片和模块工艺的一些话题。

这是目录。我们先来看碳化硅MOSFET芯片。其结构是Rdson的内阻，也是MOSFET可靠性的难点和应用中的风险点。另一部分是关于MOSFET模块的先进封装技术，主要有三点，一是银烧结技术，二是芯片DTS技术，三是先进的陶瓷覆铜板材料。从这里开始说吧。

先说最简单的MOS是怎么开和关的。在P型硅点的顶部制作两个N型区，然后分别在顶部、红色氧化层和绿色金属层上制作氧化层和金属层。然后我们在金属和P型硅之间施加一个栅极电压，这里就会产生电场效应。电场作用会让绿色的带正电，绿色金属的反面是氧化层的反面，会在这一面感应出负电荷。但事实上，这是一个P型硅点，而P型没有……ny个电子，但是因为电场强，这里会有很多高密度的电子。所以这个局部的材料性质会从原来的P型变成N型，我们把这个过程叫做“反转”。反转后这个区域的属性会从P型变成N型，这个是N，这个也是N，中间也有N，所以和N连在一起，所以外面加一个负载，电流经过这个地方就导通了。所以我们说这张图中蓝色的区域是MOSFET的结构。

有了这个知识基础之后，我们再来看看现实中的MOSFET是什么样子的。这里是截面图，是目前垂直导电MOSFET的基本结构。

我们说上面红色的部分是源极，下面是漏极，所以电流从漏极流入，从源极流出，从下面流出。蓝框的位置是通道，左右对称。我们现在把屏幕上的区域叫做原包，这个原包的基本结构是这样的。有一个栅极，两边有沟道，蓝色的是沟道，然后电流流过这个地方，所以这叫基本MOSFET结构。

接下来，我们来说说MOSFET的内阻是如何构成的。我们常说对MOSFET影响最大的是电阻，因为引线和电阻是正相关的，那么电阻是由什么组成的呢？先说Rdson这个术语。Rdson在平面光栅的加工过程中由八部分组成，如图所示。从上到下第一部分叫做源极接触电阻，意思是红色源极的金属和半导体的源极以N+结尾，接触时会有一个接触电阻。那么源区的电流叫做RN+，那么这里的电流叫做沟道电阻。刚才我们说这个区域是沟道，然后电流出来是RA电阻，再下来是JFET电阻，再下来是漂移区电阻RD，再下来是衬底区电阻。这里一旦有接触，半导体电流就会被导入金属中，称为接触电阻，最后电流就出来了。因此，总共有八个电阻。

让我们看下一页。我们经常连接到碳化硅MOSFET，会有一个沟槽栅极。那么沟门是什么样子的呢？图为沟门。先说在碳化硅的材料里，挖一个槽，在这个槽里填充氧化层然后填充栅极。这个绿色的就是网格，会形成沟槽网格的样子。但其实这个图中的知识并不局限于碳化硅或者硅，因为硅MOSFET也是这样的，所以无所谓。

我们来看看这个结构和之前的有什么不同。首先试着找出通道在哪里，蓝色的部分就是通道。你会发现这个通道和上图不一样，因为上图是横的，这张是竖的。先说一下它阻力的构成。我们会发现这种结构的MOSFET少了一部分电阻，所以只有七部分组成。分别是这个接触电阻，源电阻，沟道电阻，积累电阻，有一个电阻缺失了，那就是JFET电阻，刚才图中有，现在没有了。其他都一样，漂移电阻，然后是衬底电阻，然后是源极接触电阻。因为这个电阻比较少，可以减少一个电阻，所以在制作MOSFET的时候，制作沟槽栅比较有利，这就是它可以降低电阻的原因。

那我们来看看这样一个题目。在刚才说碳化硅之前，我想先说一下硅。它的Rdson在硅的MOSFET结构中所占的比例是一种怎样的存在？让我们看看这个盒子。这里描述的是一个由硅制成的600V MOSFET。它的抵抗力是如何形成的？如果你看红色方框中的部分，它是JFET与漂移阻力的比值。我们会发现这个比例大得惊人，非常高，高到其他数字根本不大。这是硅MOSFET的一般组成。

然后我们得出一个结论，硅电极高压MOSFET中Rdson的主要矛盾是漂移区的电阻，就像刚才那张图。我们这里有一个公式，叫做在硅的高压MOSFET中，击穿电压和int……有一个经验共识其器件的nal电阻。通俗地说，这种硅MOSFET的内阻与内压的2.5次方成正比。这就导致了一个现象。当硅材料的MOSFET内压上升时，其内阻会上升很快，以至于在高压场景下，硅材料的MOSFET经济性差，因为电阻特别大，所以不好用。那么我们来看看超结技术。超结技术实际上降低了MOSFET漂移区的电阻，可以大大降低感应电阻。

我们来看看下面这个概念。什么是漂移区？漂移区在图中是这样的。它在蓝色区域，也就是我们标记的漂移区。我们刚才说的漂移区电阻是一个很大的比例。先说漂移区有什么用？有两个，第一个涉及传导，第二个是复杂的背电压，第二个更关键。内部压力由电压支持。因此，为了将电压带回来，需要折衷该区域的厚度和浓度。让我们看看基本规则是什么。此图描述了碳化硅材料或硅材料的反电压规律。这里建立了一个值，这是内阻规律，也是其他材料的基本性质。我们会发现，如果要保持一定的电压，这个电阻的值会和材料临界击穿的三次方成反比。这是什么意思？因为这种材料的临界击穿电场比较强，电阻会很低。此时，在电压值固定的情况下，其电阻会比较接近。如果我把硅和电压硅对比，你会发现碳化硅的临界击穿电场强度比硅高10倍。这会导致在相同击穿电压下，固化漂移区比导电痛点硅小2000倍以上，这个数字会非常惊人。这样就会得出一个结论，碳化硅MOSFET在高压场景下的性能是非常优秀的，因为我可以用非常薄的材料来承受高电压，然后我的电阻比较小。所以完成背电压会很优秀。

那么我们来看看碳化硅MOSFET Rdson在实战中的组成。这里举个例子，不过这个例子没有一般的意义，但是会给人一种定性的感觉。也就是你可以看到1200V MOSFET的电阻构成比较分散。首先你会看到通道的电阻比不是硅那样的小频率，而是比较高的频率，有可能打到30或者40以上。JFET电阻有一定的频率，漂移区和衬底也有一定的频率。你可以看到，这个比例和刚才硅的比例相差很大。

现在来说说渠道阻力的表现。这张图是MOSFET的沟道电阻的表达式。这个表达式中有几个值，这里告诉你通道的电阻是由什么组成的。一个是长度LCH，一个是原封装的宽度Wcell，然后是电子uni和Cox栅氧化层的电容层，一个是栅电压和栅阈值，这两个都有关系。从这个指示也可以看出一个有趣的规律。

因为沟道比在高压硅MOSFET中非常不重要，所以提高阈值GS电压不能降低或者根本不重要。但是如果在碳化硅MOSFET中情况就不一样了，因为碳化硅和这种情况占30%-40%，甚至50%，所以如果我提高栅极电压，总电阻会受到这个权重的影响，30%-40%，50%，所以讨论碳化硅MOSFET中GS的电压，不讨论GS的阈值电压，可以明显降低Rdson。所以在碳化硅MOSFET中，经常提到要使用高栅压低阈值电压。正是这个原因，一切都建立在反抗的基础上。

我们看到这里还有一个因素，就是电流迁移率，在这个位置有一个电阻迁移率。我们还可以看到，电阻迁移率是因素之一。但在实战中，这个因素影响很大，可以明显影响碳化硅的好坏差别。

首先，这是一个关于MOSFET可靠性的难题。有一个问题。这支……有生活问题，所以我们要评估它的生活。方法是外推法。未来我们会从栅压中找出影响程度，然后就可以预测负栅压20下的水平。

还有一个话题，就是碳化硅MOSFET开关时Du/dt的应力。我们说碳化硅MOSFET在汽车中用作电机驱动。由于碳化硅MOSFET的Du/dt水平远高于IGBT，这种相对较高的du/dt会导致电极的电机层定子侧绕组中的漆包线，线间绝缘会有一定的电容，DU/DT会使共模电流传入电容。共模电流实际上会损害漆包线的寿命。所以在使用碳化硅之后，电机的设计还需要再次改进，否则电机可能会更早挂机，所以这是一个非常现实的问题。

我们再来看这个题目，叫做碳化硅MOSFET的同步整流模式，因为以前我们搞电机驱动的时候，很少用到MOSFET，至少是非典型的。然后大部分用IGBT，但是IGBT没有同步整流模式，它的电流导致电流通过二极管。鉴于二极管芯片和IGBT芯片大多是分开的，MOSFET里面的情况就不一样了，因为它有同步整流模式，也就是说当T2关断时电流通过，MOSFET就会从二极管跑到沟道。这个功能将是一个新的挑战，然后让设计师做出一些改变。让我们看看这个地方，它可以告诉你，碳化硅MOSFET的T2级晶体管的正负引导特性并不优秀。它的电压降相对较高，正常情况下为5伏。所以二极管不是很好。这个只有死了时间之后才能赶进沟里，不然业绩就大了，就是损失高。

另一个主题是关于MOSFET的隔离驱动器和共模噪声。驱动器的共模噪声很大，所以驱动器能不能做到需要大量的MOSFET，所以隔离芯片的共模移植能力必须非常好。还有一个短路能力，MOSFET短路能力是很多要模拟的，这是我们真实的结果。

再看短路保护。短路保护和以前的IGBT没有太大区别，但是它的允许时间会缩短很多，大概1.8us-2.3us，比较窄，所以三个电路的调试程度比较高。

现在我们来看模块中的银烧结技术。在模块中，它的芯片和顶层是夹层结构，但通常有两种连接方式，一种是焊接，一种是烧结。焊接是用焊料连接两个物体，删节是用银烧结连接两个物体。其实烧结料的芯不太好，很常见。首先厚度很厚，不能特别薄。第二导热系数大约是50 w/m * k，燃烧接头在这个问题上有了很大的改进。

现在我们来谈谈焊接的缺点:

1.同样的系统温度太高，机械可靠性不好，因为工作温度源的熔点有点接近，所以这样不好，会导致相变。

2.连接层的温度循环和功率循环能力较弱。据外媒报道，大众汽车宣布，该公司将从2024年起仅在挪威销售电动汽车。在电动汽车的销售比例方面，挪威是世界上领先的国家。2021年，全国销售的所有新车中，64.5%是纯电动汽车。据外媒报道，大众汽车宣布，该公司将从2024年起仅在挪威销售电动汽车。在电动汽车的销售比例方面，挪威是世界上领先的国家。2021年，全国销售的所有新车中，64.5%是纯电动汽车。

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