在商業應用中利用寬帶隙碳化硅（SiC）的獨特電氣優勢需要解決由材料機械性能引起的可靠性挑戰。憑借其先進的芯片粘接技術，Vincotech 處于領先地位。

十多年前首次推出的SiC功率模塊可能會改變功率模塊市場。通過用寬帶隙碳化硅（SiC）取代標準半導體中使用的硅，它們有可能將半導體功率模塊的適用性擴展到更高功率、更高溫度的用例。

碳化硅不辜負其高期望，到2026年占據功率模塊市場25%的份額 ^1^ ，開發人員將不得不克服幾個挑戰。首先，他們必須優化SiC模塊設計，以充分利用材料的潛力，同時提供其在實際部署中可行的可靠性。

雖然SiC比Si-10倍的擊穿電壓和19倍的漏電流具有顯著的優勢，但它在芯片-基板焊點處表現出更高的應力水平。在功率循環應用中，這種重復應力會降低芯片-基板界面，與標準硅器件相比，SiC器件的使用壽命縮短約70%。

本文介紹了Vincotech研發團隊開發的一種新穎設計方法，該方法提高了SiC功率模塊的功率循環能力，并在較小程度上提高了柵極氧化層可靠性，短路耐用性和SIC體二極管退化。與硅基模塊相比，SiC在整體可靠性方面的差距縮小，使SiC成為適用于各種功率模塊應用的可行、高性能的硅替代品。我們將改進設計的性能與標準設計和競爭對手產品進行比較，并評估其對電動汽車充電樁的影響。

識別瓶頸

SiC有望在將電動汽車供電設備（EVSE）的總系統效率從95%提高到98%方面發揮至關重要的作用，從而提供高效率、更高的功率密度和快速充電時間。然而，要做到這一點，它需要在功率循環能力方面與傳統硅基解決方案的高可靠性相匹配。

* 圖1. 電源模塊原理圖突出顯示焊點。圖片由 *Bodo 的動力系統提供 [PDF]

雖然SiC的電氣性能優于硅，但材料的機械性能對其功率循環能力產生負面影響。特別是，其三倍的楊氏模量會導致焊點裂紋的形成和增長。

此外，長時間最大功率（例如，在電動汽車充電器的情況下）的苛刻任務曲線以及流經較小結的較大電流產生的較高溫度都會對焊點施加額外的應力，需要管理。

所有這些因素都表明需要加強芯片焊點，以提高SiC模塊的功率循環能力。

測試用于碳化硅功率模塊的新型焊料合金

在實驗室中，我們的研發團隊實施了一種新型焊料合金，提高了SiC功率模塊的性能，使該技術可用于實際部署。我們 根據 連接 SiC 芯片 和 基 板 的 技術 測試 了 SiC 功率 模 塊 的 功率 循環 能力。在測試中，我們使用了VIN flowPACK E1 SiC模塊，其6PACK拓撲結構內部采用SiC MOSFET芯片技術，以及競爭對手的模塊。

*圖片由 *Bodo 的動力系統提供 [PDF]

* 圖2. 流動 E1 外殼和 6PACK 原理圖。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

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* 圖3. 功率循環對耐溫性的影響，包括失效準則（頂部）和產生特征壽命的威布爾分析（底部）。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

為了特別觸發焊料退化（一種關鍵的故障模式），我們進行了加速功率循環測試，在最大結溫T時擊中芯片 杰馬克斯 = 150 °C 和 175 °C，溫差 dT = 100K，導通時間 t 上 = 1 秒。這使我們能夠模擬當今遇到的典型操作條件（T 杰馬克斯 = 150 °C），以及更高性能的下一代解決方案（T 杰馬克斯 = 175 °C）。在這兩種情況下，失效標準都被定義為結和外殼之間的熱阻增加20%，R 千（J-C） ，表明芯片-基板界面處裂紋的發展和擴展。

圖3的上圖顯示了每個被測芯片的芯片-基板界面處熱阻的演變。引起故障所需的功率周期數由標繪線和指示故障標準的虛線的交點確定。使用Weibull分析分析故障數據（見圖3底部圖表）揭示了觸發故障所需的平均循環次數~63%的測試芯片，被認為是組件的特征壽命。

*圖片由 *Bodo 的動力系統提供 [PDF]

* 圖4. 使用標準焊料（頂部）和新焊料（底部）的電源循環基準。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

評估模塊的預期壽命

接下來，我們將 SiC 功率模塊的功率循環能力與標準硅器件的功率循環能力進行了比較（見圖 4 上圖），使用 Vincotech 和競爭對手的模塊和標準焊料。在最高結溫下進行的測試，T 杰馬克斯 ，150 °C 和 175 °C 的 150 °C 和 175 °C 證實，與硅器件相比，SiC 器件在焊點上承受的較高應力使功率循環能力降低了 7 倍，無論使用的是 Vincotech 還是競爭對手的模塊。正如預期的那樣，模塊在T處經歷的更高的溫度和應力 杰馬克斯 = 175 °C 大大降低了模塊的功率循環能力。

基于這些結果，我們使用生命周期模型來預測現場部署的電動汽車充電器中模塊的預期壽命。假設在恒定的最大結溫下每天24個循環的任務曲線，T杰馬克斯在 125 °C 和 100 K 的溫度擺動下，SiC 功率模塊的預期壽命僅為 2.2 年，而 Si 功率模塊的預期壽命為 16 年。使用Vincotech實施的新焊料合金進行相同的比較（見圖4下圖），我們將循環能力提高到接近使用標準焊料的硅器件所達到的水平。在較高的最大結溫T 杰馬克斯 ，溫度為 175 °C，與競爭對手的 SiC 模塊相比，新型焊料合金大大提高了器件性能。假設充電器任務配置文件與以前相同，新的焊料合金將使SiC功率模塊的使用壽命延長至15年左右，接近硅器件的使用壽命，并超過市場采用所需的當前閾值。

準備服務于快速增長的電動汽車充電市場

Vincotech 先進的芯片貼裝技術是一種高效且經濟高效的解決方案，可應對 SiC 功率模塊在功率循環能力方面面臨的可靠性挑戰。我們的工程團隊繼續研究新的焊料合金，以便能夠充分利用這種互連技術的潛力。同時，他們正在探索燒結等新技術，如果引線鍵合的可靠性（當今解決方案中第二薄弱的環節）也得到改善，則可以進一步提高功率循環能力。Vincotech 擁有廣泛的使用 SiC 技術的外殼產品組合，具有 40 多種不同的部件號，基于多源芯片組供應鏈。此外，我們還為直流快速充電器應用提供專用產品線，并為每個轉換階段提供全面的產品組合。為了配合電動汽車充電站市場的快速增長，我們制定了強大的專用碳化硅功率模塊技術路線圖，這些技術符合高可靠性的規格。