十多年前首次推出的SIC功率模块有望彻底改变功率模块市场。通过用宽带隙氮化硅(SiC)取代标准半导体中使用的硅，它们有潜力将半导体功率模块的适用范围扩展到更高功率和更高温度的应用场景。

　　为了使SiC实现其高期望并在2026年前占据25%的功率模块市场份额，开发人员必须克服多个挑战。首要任务是优化SiC模块设计，以充分发挥这种材料的潜力，同时提供在实际应用中所需的可靠性。

　　尽管SiC在性能上相较于硅有显著优势——例如，击穿电压高出十倍、漏电流低出19倍，但在芯片与基板的焊接接头处，它承受的应力水平较高。在功率循环应用中，这种重复的应力会导致芯片与基板界面的退化，使得SiC设备的寿命比标准硅设备减少约70%。

　　本文介绍了Vincotech研发团队开发的一种新设计方法，该方法提高了SiC功率模块的功率循环能力，并在一定程度上改善了栅氧可靠性、短路耐受性和SiC体二极管退化。通过缩小与基于硅模块的整体可靠性差距，使SiC成为多种功率模块应用中一种可行的高性能替代方案。我们将改进设计的性能与标准设计和竞争产品进行比较，并评估其对电动汽车充电桩的影响。

　　瓶颈识别

　　SiC预计将在提高电动汽车供电设备(EVSE)整体系统效率方面发挥重要作用，将效率从95%提高到98%，提供更高的效率、更高的功率密度和更快的充电时间。然而，为了实现这一目标，SiC必须在功率循环能力方面与传统的基于硅的解决方案匹敌，确保高可靠性。

　　尽管SiC的电气特性优于硅，但其机械特性对功率循环能力产生了负面影响。尤其是，SiC的杨氏模量高出三倍，可能导致焊接接头中裂缝的形成和扩展。

　　此外，EV充电器等应用的高需求任务特性，伴随着较长时间的最大功率输出(例如，EV充电器的情况)以及通过较小结点流动的较大电流所产生的高温，都会对焊接接头施加额外的应力，这需要有效管理。

　　所有这些因素都指向需要加强芯片与焊接接头，以改善SiC模块的功率循环能力。

　　测试新焊料合金以提升SiC功率模块性能

　　在实验室中，我们的研发团队实施了一种新焊料合金，提高了SiC功率模块的性能，使这种技术在实际应用中可行。我们测试了SiC功率模块在连接SiC芯片和基板的技术方面的功率循环能力。测试中，我们使用了VIN flowPACK E1 SiC模块，该模块内部采用了SiC MOSFET芯片技术，并与竞争对手的模块进行了比较。

　　为了专门激发焊接退化这一关键失效模式，我们进行了加速功率循环测试，使芯片达到最大结温Tjmax = 150 °C和175 °C，并设定温度差dT = 100K，持续时间ton = 1秒。这使我们能够模拟目前的典型操作条件(Tjmax = 150 °C)以及下一代高性能解决方案的预期条件(Tjmax = 175 °C)。在这两种情况下，失效标准定义为结与外壳之间的热阻Rth(j-c)增加20%，这表明芯片与基板界面处裂缝的形成和扩展。

　　图3的上部分图表展示了每个测试芯片的芯片与基板接口的热阻变化。达到失效所需的功率循环次数由所绘制的曲线交点与表示失效标准的虚线确定。通过韦布尔分析(见图3的下部分图表)，分析失效数据揭示触发约63%所有测试芯片失效所需的平均循环次数，被认为是组件的特征寿命。

　　评估模块的预期寿命

　　接下来，我们比较了SiC功率模块与标准硅设备(见图4上部图表)的功率循环能力，使用了Vincotech和竞争对手的模块，并使用标准焊料。测试在最大结温Tjmax为150 °C和175 °C的情况下进行，确认SiC设备所经历的焊接接头的更高应力使其功率循环能力比硅设备低七倍，无论使用的是Vincotech模块还是竞争对手模块。正如预期，在Tjmax = 175 °C时，模块经历的更高温度和应力显著降低了模块的功率循环能力。

　　基于这些结果，我们使用寿命模型预测在实际应用中部署的EV充电器模块的预期寿命。假设每日24个循环，最大结温Tjmax为125 °C，温度变化为100 K，SiC功率模块的预期寿命仅为2.2年，而硅功率模块的预期寿命则为16年。使用Vincotech实施的新焊料合金进行相同比较(见图4下部图表)，我们将循环能力提升至接近使用标准焊料的硅设备的水平。在更高的最大结温Tjmax = 175 °C下，功率循环性能也得到了显著改善，新焊料合金大幅提高了与竞争SiC模块的性能。假设与之前相同的充电器任务特性，新焊料合金将SiC功率模块的寿命提升到约15年，接近硅设备的寿命，并超越了市场接受所需的当前阈值。

　　准备服务快速增长的电动汽车充电市场

　　Vincotech先进的芯片附着技术是解决SiC功率模块在功率循环能力方面面临的可靠性挑战的高效且经济的解决方案。我们的工程团队继续研究新焊料合金，以充分利用这种互连技术。同时，他们还在探索新技术，如烧结，如果能够改善连接线的可靠性(这是当前解决方案中第二弱的环节)，将进一步提升功率循环能力。Vincotech在SiC技术上拥有庞大的产品组合，涵盖40多个不同的部件编号，并基于多源芯片供应链。此外，我们为直流快充应用提供专用产品线，涵盖每个转换阶段的全面产品组合。为了伴随电动汽车充电站市场的快速增长，我们制定了强有力的SiC功率模块技术路线图，以满足高可靠性的规格要求。

浮思特科技专注功率器件领域，为客户提供IGBT、IPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片，是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。