新型芯片結(jié)構(gòu)能有效防止浪涌電流集中在特定芯片上

圖1

新開發(fā)的芯片結(jié)構(gòu)（上:芯片截面；下:并聯(lián)芯片）

三菱電機(jī)集團(tuán)近日（2023年6月1日）宣布，其開發(fā)出一種集成SBD的SiC-MOSFET新型結(jié)構(gòu)，并已將其應(yīng)用于3.3kV全SiC功率模塊——FMF800DC-66BEW，適用于鐵路、電力系統(tǒng)等大型工業(yè)設(shè)備。樣品于5月31日開始發(fā)售。該新結(jié)構(gòu)芯片有望幫助實(shí)現(xiàn)鐵路牽引等電氣系統(tǒng)的小型化和節(jié)能化，促進(jìn)直流輸變電的普及，從而為實(shí)現(xiàn)碳中和做出貢獻(xiàn)。

SiC功率半導(dǎo)體因其能顯著降低功率損耗而備受關(guān)注。三菱電機(jī)于2010年將搭載SiC-MOSFET和SiC-SBD的SiC功率模塊商用化，在空調(diào)、鐵路等多種逆變系統(tǒng)中采用了SiC功率半導(dǎo)體。

與傳統(tǒng)的芯片分開并聯(lián)方法相比，集成了SiC-MOSFET和SiC-SBD的一體化芯片可以更緊湊地封裝在功率模塊內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)功率模塊的小型化、大容量和更低的開關(guān)損耗，有望在鐵路、電力系統(tǒng)等大型工業(yè)設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。到目前為止，由于集成SBD的SiC-MOSFET功率模塊的抗浪涌電流能力相對(duì)較低，浪涌電流只集中在某些特定的芯片上，導(dǎo)致芯片在高浪涌電流時(shí)熱損壞，因此在實(shí)際應(yīng)用中一直面臨困難。

三菱電機(jī)率先發(fā)現(xiàn)了浪涌電流集中在功率模塊內(nèi)部某些特定芯片上的機(jī)理。開發(fā)了一種新的芯片結(jié)構(gòu)，在這種芯片結(jié)構(gòu)中，所有芯片同時(shí)開始通流，使浪涌電流分布在各個(gè)芯片上。因此，與本公司現(xiàn)有技術(shù)相比，功率模塊的抗浪涌電流能力提高了五倍以上，獲得了與現(xiàn)有Si功率模塊同等或更高的浪涌電流耐量，從而實(shí)現(xiàn)了集成SBD的SiC-MOSFET功率模塊。

本開發(fā)成果的詳細(xì)情況已于5月31日14時(shí)（當(dāng)?shù)貢r(shí)間）在香港舉辦的ISPSD 2023（5月28日至6月1日）上發(fā)表。

未來展望

Future Developments

這項(xiàng)新技術(shù)將應(yīng)用于SiC功率模塊，從而實(shí)現(xiàn)鐵路牽引系統(tǒng)的小型化和節(jié)能化。此外，通過使用低功率損耗變流器進(jìn)行直流輸電，有望實(shí)現(xiàn)比交流輸電更低的傳輸損耗，從而為實(shí)現(xiàn)碳中和做出貢獻(xiàn)。

關(guān)于集成SBD SiC-MOSFET

About SBD-embedded MOSFET

在傳統(tǒng)的SiC功率模塊中，用于開關(guān)的SiC-MOSFET和用于續(xù)流的SiC-SBD作為兩個(gè)芯片被單獨(dú)制造，并在模塊內(nèi)通過并聯(lián)連接。相反，三菱電機(jī)開發(fā)的集成SBD的SiC-MOSFET（圖2）通過在SiC MOSFET元胞中周期性地插入SiC-SBD來集成這兩個(gè)芯片。

圖2

集成SBD的SiC-MOSFET實(shí)現(xiàn)了SiC-MOSFET和SiC-SBD一體化

特點(diǎn)

Features

突破性發(fā)現(xiàn)——浪涌電流集中在特定芯片上的機(jī)理

傳統(tǒng)情況下，當(dāng)浪涌電流流過并聯(lián)連接的多個(gè)集成SBD的MOSFET芯片時(shí)，浪涌電流只集中在某些特定芯片上，無(wú)法獲得與并聯(lián)芯片數(shù)量相對(duì)應(yīng)的浪涌電流耐量。根據(jù)物理分析和器件模擬分析的結(jié)果，如果內(nèi)置SBD的芯片尺寸與其他芯片略有不同（寬度略小，如圖3），那么浪涌電流就會(huì)集中在該特定芯片上，從而導(dǎo)致該芯片在其他芯片導(dǎo)通之前流過浪涌電流。這個(gè)尺寸偏差是極其微小的，在正常的芯片制造過程中基本上是無(wú)法避免的。

圖3

現(xiàn)有技術(shù)中電流集中到特定芯片的機(jī)理

新的芯片結(jié)構(gòu)——所有并聯(lián)的芯片同時(shí)導(dǎo)通

為了防止浪涌電流集中到特定芯片上，三菱電機(jī)針對(duì)芯片總面積占比不到1%的元胞，開發(fā)了不配置SBD的新芯片結(jié)構(gòu)。這種元胞與配置SBD的其他元胞相比，能夠更快速導(dǎo)通浪涌電流，并且由于不存在SBD，所以不受微小尺寸偏差的影響。浪涌電流可以在所有并聯(lián)芯片中沒有配置SBD的相應(yīng)元胞中同時(shí)開始導(dǎo)通。

此外，由于浪涌電流降低了SiC周邊的阻抗，觸發(fā)其周圍元胞開始導(dǎo)通，形成連鎖反應(yīng)。這種現(xiàn)象導(dǎo)致以沒有配置SBD的元胞為起點(diǎn)，浪涌電流在整個(gè)芯片區(qū)域傳播。因此，浪涌電流分布在所有芯片的所有區(qū)域，防止了由于浪涌電流集中在特定芯片上而導(dǎo)致的芯片熱擊穿，從而提高了浪涌電流耐量（圖4）。

圖4

新結(jié)構(gòu)避免了電流集中在特定芯片上

增強(qiáng)的扛浪涌電流能力——使內(nèi)置SBD的SiC MOSFET功率模塊成為可能

通過采用這種新的芯片結(jié)構(gòu)，使內(nèi)置SBD的SiC-MOSFET模塊抗浪涌電流能力比本公司現(xiàn)有技術(shù)提高了5倍以上，與廣泛使用的傳統(tǒng)Si功率模塊相當(dāng)或更大。此外，由于浪涌電流的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，沒有配置SBD的元胞僅占總芯片面積的一小部分（小于1%），不會(huì)因?yàn)閮?nèi)置SBD面積的減少而影響功率模塊的低導(dǎo)通電阻和低開關(guān)損耗等特性。因此，鐵路、電力系統(tǒng)等大功率用功率模塊所要求的芯片并聯(lián)成為可能，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)置SBD的SiC-MOSFET功率模塊。

圖5

新技術(shù)提高了抗浪涌電流能力

關(guān)于三菱電機(jī)

三菱電機(jī)創(chuàng)立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。在2022年《財(cái)富》世界500強(qiáng)排名中，位列351名。截止2022年3月31日的財(cái)年，集團(tuán)營(yíng)收44768億日元（約合美元332億）。作為一家技術(shù)主導(dǎo)型企業(yè)，三菱電機(jī)擁有多項(xiàng)專利技術(shù)，并憑借強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和良好的企業(yè)信譽(yù)在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化、電子元器件、家電等市場(chǎng)占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場(chǎng)，三菱電機(jī)從事開發(fā)和生產(chǎn)半導(dǎo)體已有60余年。其半導(dǎo)體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動(dòng)汽車、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無(wú)線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。