碳化硅（SiC）在电动汽车中的应用：机会与挑战 - 上海国际电力元件

碳化硅(SiC)在电动汽车中的应用介绍

SiC，即碳化硅，是一种在电动汽车（EV）行业中受到关注的半导体材料。 与传统硅基半导体相比，SiC 具有多种优势，使其成为电动汽车应用的有吸引力的选择。

SiC 的主要优点之一是其高导热性，这使其能够比硅处理更高的温度。 这意味着基于碳化硅的电力电子器件可以以更高的功率密度和效率运行，从而为电动汽车带来更好的性能和更长的电池寿命。

此外，与硅相比，SiC 具有更高的击穿电压和更低的导通电阻。 这意味着基于 SiC 的器件可以处理更高的电压和电流，从而降低功率损耗并实现更高的开关频率。 因此，基于 SiC 的电力电子设备比硅同类产品更小、更轻、更高效。

基于SiC的电力电子器件还具有更好的温度稳定性，使其即使在高温下也能保持性能。 这在电动汽车应用中尤其重要，因为电力电子设备会产生大量热量。 借助碳化硅，电动汽车可以在具有挑战性的热条件下更可靠地运行。

此外，基于 SiC 的器件具有更快的开关速度，减少了开关损耗并提高了整体系统效率。 这可以提高电动汽车的行驶里程，因为电力转换过程中浪费的能量更少。

由于这些优点，基于碳化硅的电力电子器件越来越多地用于电动汽车，特别是逆变器和充电器等组件。 多家汽车制造商已经开始在其电动汽车中使用 SiC，并且随着技术的不断进步，SiC 预计将在电动汽车行业中变得更加普遍。

总之，SiC 是一种很有前景的电动汽车半导体材料，与传统硅基半导体相比，它具有更高的功率密度、效率、温度稳定性和可靠性。 随着技术的不断改进，预计其在电动汽车中的采用将会增加。

Silicon carbide (SiC) 电源 ICs

碳化硅 (SiC) 功率 IC（集成电路）是使用 SiC 材料作为制造基础的半导体器件。 这些功率 IC 将 SiC 技术的优势与传统集成电路的集成能力相结合，实现高效、紧凑的电力电子解决方案。

与传统硅基电源 IC 相比，SiC 电源 IC 具有多种优势：

1.更高的功率密度：与硅相比，SiC具有更高的击穿电压和导热率，可实现更高功率密度的设计。 这意味着 SiC 功率 IC 可以处理更高的电压和电流，从而在保持紧凑的外形尺寸的同时提供更多的功率。

2.更高的开关频率：SiC功率IC具有快速的开关速度，使其能够在更高的开关频率下工作。 这减少了开关损耗并提高了整体功率转换效率。 它还允许设计更小的无源元件，例如电感器和电容器，从而进一步实现电力电子系统的小型化。

3. 更低的功率损耗：与硅相比，SiC 具有更低的导通电阻和更低的开关损耗。 这会减少运行期间的功率损耗，从而提高能源效率。 更低的功率损耗也意味着更少的热量产生，从而实现更高的功率转换效率和更好的热管理。

4. 更高的工作温度：与硅基功率 IC 相比，SiC 功率 IC 可以在更高的温度下工作。 这对于电动汽车等高功率应用是有益的，因为电力电子设备会产生大量热量。 处理更高温度的能力意味着电力电子设备的可靠性提高和使用寿命更长。

5. 提高系统效率：更高的功率密度、更高的开关频率和更低的功率损耗相结合，可以提高整体系统效率。 反过来，这可以有助于增加电动汽车的行驶里程和更好的性能。

SiC 功率 IC 常用于各种应用，包括电动汽车动力总成系统、可再生能源系统、工业电机驱动和电源。 随着技术的不断进步和制造成本的下降，SiC 功率 IC 预计将在电力电子系统中变得更加普遍，从而提供更高的性能和效率。

碳化硅 (SiC) 功率 IC在电动汽车 (EV) 中应用的好处

电动汽车 (EV) 的普及确实推动了对碳化硅 (SiC) 功率 IC 的需求。 由于电动汽车需要高效电力电子设备来转换和管理电能，因此碳化硅电源 IC 比传统硅基解决方案具有显着优势。

SiC 功率 IC 可实现更高的功率密度和更高的效率，从而可以设计更紧凑、更轻量的电动汽车动力总成系统。 SiC 功率 IC 能够处理更高的电压和电流，可以提供必要的功率水平，同时最大限度地减少损耗并最大限度地提高能量转换效率。

电动汽车还需要高速充电能力，而SiC功率IC可以支持更快的充电速率。 SiC功率IC更快的开关速度和更高的工作温度有利于高速充电过程中的高效功率转换，减少充电时间并改善整体用户体验。

此外，SiC功率IC有助于延长电动汽车的续驶里程。 SiC 功率 IC 具有更低的功率损耗和改进的热管理，可实现更高效的能量转换，从而减少能源浪费并提高电池利用率。 这意味着电动汽车一次充电可以行驶更远的距离。

随着汽车电气化的不断加速，对SiC功率IC的需求预计将增长。 汽车行业认识到 SiC 技术在提高功率转换效率和增强电动汽车性能方面的优势。 制造商和供应商正在投资 SiC 功率 IC 的研究、开发和生产，以满足不断增长的需求并进一步推进技术。

硅和 SiC功率IC之间的主要区别

硅 (Si) 和碳化硅 (SiC) 功率 IC 之间的主要区别之一与基板的生长有关。

硅功率 IC 通常构建在硅基板上，硅基板用途广泛，并且已在半导体行业中使用了数十年。 硅基板是通过称为外延的工艺制造的，其中硅单晶逐层生长。 该工艺产生高质量的晶体结构，可用于制造复杂的集成电路。

另一方面，SiC 功率 IC 是在 SiC 基板上构建的。 然而，与硅相比，碳化硅衬底的生长更具挑战性。 SiC 晶体具有更复杂的晶体结构，需要更高的温度和专门的生长技术，例如物理气相传输 (PVT) 或化学气相沉积 (CVD)，才能获得高质量的衬底。

与硅衬底相比，碳化硅衬底的生产难度历来限制了其可用性并增加了其成本。 然而，近年来，SiC 衬底制造技术的进步提高了其质量并降低了成本，使其更适合用于功率 IC。

与硅相比，碳化硅衬底具有多种优势，尤其是在高功率应用中。 与硅相比，SiC 具有更宽的带隙，可实现更高的工作电压和更高的耐温性。 这意味着 SiC 功率 IC 可以处理更高的功率水平，同时降低功率损耗，从而提高效率和性能。

综上所述，虽然硅和 SiC 功率 IC 在电力电子领域都发挥着重要作用，但主要区别在于衬底的生长工艺。 硅功率 IC 构建在硅基板上，而 SiC 功率 IC 构建在 SiC 基板上，可为高功率应用提供卓越的特性。

硅IGBT器件 vs SiC功率IC

事实上，碳化硅 (SiC) 器件具有一系列特性，与硅基 IGBT（绝缘栅双极晶体管）器件相比更具优势。 一些关键属性是：

1.更高的击穿电压：与硅器件相比，SiC器件具有明显更高的击穿电压能力。 这意味着它们可以承受更高的电压而不会击穿，从而可以设计更高电压和更高效的电力电子系统。

2.更低的导通电阻：与硅器件相比，SiC器件具有更低的导通电阻值。 这意味着更低的功耗和更高的效率，使 SiC 器件适合高功率应用。

3.更快的开关速度：SiC器件具有优越的开关特性，包括快速的开通和关断时间。 这使得它们能够在更高的频率下运行，从而为小型化、改进系统响应时间和降低功率损耗提供了机会。

4.更高的导热率：SiC具有比硅更高的导热率。 这一特性使 SiC 器件能够处理更高的功率密度并更有效地散热，从而使其能够在更高的温度下运行而不会降低性能。

5、温度范围宽：与硅器件相比，SiC器件具有更宽的温度工作范围。 它们可以在较高温度下可靠运行，这对于汽车、航空航天或工业环境等要求苛刻的应用至关重要。

6. 降低开关损耗：由于上述特性，SiC 器件与硅器件相比表现出更低的开关损耗。 此功能有助于提高整体系统效率并减少对复杂热管理解决方案的需求。

值得注意的是，虽然 SiC 器件确实具有这些优势，但它们通常比硅基器件更昂贵，并且面临制造成本和可用性方面的挑战。 然而，SiC 技术和规模经济的不断进步正在帮助解决这些限制，并推动 SiC 器件在各种电力电子应用中得到更广泛的采用。

寻找和识别碳化硅功率 IC 缺陷的挑战

与硅功率 IC 相比，查找和识别碳化硅 (SiC) 功率 IC 中的缺陷可能更具挑战性，原因如下：

1.材料复杂性：与硅相比，SiC具有更复杂的晶体结构和独特的材料性能。 这种复杂性使得识别缺陷并了解其对设备性能的影响变得更加困难。

2. 高缺陷密度：由于生长高质量 SiC 晶体面临挑战，与硅衬底相比，SiC 衬底可能具有更高的缺陷密度。 这些缺陷，例如堆垛层错或微管，会影响器件的性能和可靠性。

3. 缺陷类型：SiC功率IC可以表现出各种类型的缺陷，包括点缺陷（例如空位或间隙）或扩展缺陷（例如位错或晶界）。 识别和表征这些缺陷可能需要先进的成像和分析技术。

4. 有限的缺陷检测技术：由于材料特性的差异，一些用于硅的常见缺陷检测技术，例如光学显微镜或电气测试，对于 SiC 可能不那么有效。 可能需要 SiC 特定的缺陷检测技术，例如阴极发光成像或电子束感应电流显微镜。

5. 器件复杂性：SiC 中的功率 IC 通常涉及复杂的结构，具有多层和不同的材料界面。 检测此类复杂设备中的缺陷可能更具挑战性，因为缺陷可能位于不同的层或界面中。

6. 设备的成本和可用性：一些专门为 SiC 分析设计的先进缺陷检测技术或表征设备可能价格昂贵且无法广泛使用，这使得获取这些资源变得更具挑战性。

为了克服这些挑战，持续的研发工作重点是开发缺陷识别新技术、改进 SiC 晶体生长以降低缺陷密度，以及改进 SiC 功率 IC 制造过程中的工艺控制和质量保证。

用于发现和识别碳化硅功率 IC 缺陷的检验和计量方法

查找和识别碳化硅 (SiC) 功率 IC 中的缺陷需要结合检查和计量方法。 以下是一些常用的技术：

1. 光学检查：光学显微镜用于 SiC 功率 IC 的初始目视检查。 它可以识别较大的缺陷，例如裂纹、缺口和分层。 此外，扫描电子显微镜 (SEM) 等技术可以提供高分辨率图像，以实现更好的缺陷可视化。

2. X 射线成像：X 射线成像用于检测内部缺陷，例如空隙、裂纹、引线键合问题和分层。 它提供了一种非破坏性的方法来检查 IC 的完整性和质量。

3. 电气测试：电气测试对于检测 SiC 功率 IC 的功能缺陷至关重要。 它涉及向 IC 施加特定的电压和电流信号并测量其电响应。 执行电流-电压 (I-V) 曲线测量、电容-电压 (C-V) 测量和缺陷光谱等技术来识别漏电流、短路、开路和参数偏差等问题。

4. 扫描声学显微镜 (SAM)：SAM 使用超声波来检测和分析 SiC 功率 IC 中的缺陷。 通过测量 IC 内部结构的声反射，它可以识别空隙、裂纹、分层和其他粘合界面问题。

5.原子力显微镜（AFM）：AFM是一种高分辨率成像技术，可用于分析纳米级的表面缺陷和特征。 它可以识别 SiC 功率 IC 中的粗糙度、划痕、污染物和其他表面异常情况。

6、X射线衍射（XRD）：XRD用于分析SiC材料的晶体结构和质量。 它可以识别可能影响 SiC 功率 IC 性能的晶体缺陷，例如堆垛层错、位错和相变。

7. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：FTIR用于分析SiC材料的化学成分和结合性能。 它可以检测 SiC 功率 IC 中的杂质、污染物和其他化学缺陷。

这些检查和计量方法能够识别和表征 SiC 功率 IC 中的缺陷，指导制造过程并确保最终器件的质量和可靠性。

白光干涉测量 (WLI) 轮廓仪用于测量 SiC 的晶圆粗糙度

白光干涉测量法 (WLI) 可用于高压集成电路 (IC) 工艺期间的高深宽比沟槽深度测量。 WLI 轮廓仪能够解析小至 2μm 的沟槽开口并测量高达 40μm 的深度。

以下是有关使用 WLI 进行高深宽比沟槽深度测量的一些要点：

1.测量原理：WLI轮廓仪利用白光的干涉来测量参考表面和样品表面之间的光程差。 通过扫描沟槽表面，WLI 可以根据干涉图案准确确定沟槽的深度。

2. 深度分辨率：WLI 剖面仪提供高垂直分辨率，能够精确测量沟槽深度。 分辨率通常取决于光源波长和成像系统的数值孔径等因素。 使用先进的 WLI 分析仪可以实现亚纳米深度分辨率。

3. 纵横比考虑因素：高纵横比沟槽的深度与其宽度相比较大，由于光的穿透深度有限，可能会给测量带来挑战。 然而，WLI 轮廓仪具有非接触式测量的优势，消除了进入沟槽的任何物理限制。 WLI 的分辨率和精度取决于沟槽中介质的折射率和基板材料的特性等因素。

4. 视野：WLI 轮廓仪通常提供宽阔的视野，能够测量多个沟槽或大沟槽区域。 此功能有利于评估整个晶圆上沟槽深度的均匀性或检查感兴趣的关键区域。

5. 数据分析：WLI 剖面仪提供先进的数据分析工具来提取相关参数，例如沟槽深度、宽度和剖面。 生成的 3D 地形图和横截面轮廓可用于评估高压 IC 工艺过程中沟槽结构的质量和一致性。

通过利用 WLI 进行高深宽比沟槽深度测量，制造商可以确保沟槽尺寸的精确控制，这对于高压集成电路的可靠运行至关重要。

光学检测技术用于缺陷检测， X 射线和光致发光用于计量

光学检测技术通常用于各种行业的缺陷检测，包括半导体制造。 这些技术涉及使用可见光或近红外光来照亮样品并观察任何表面缺陷或异常。

光学检查技术可包括目视检查、显微镜检查和自动光学检查 (AOI) 系统。 目视检查涉及操作员用眼睛检查样品是否存在任何可见缺陷。 光学显微镜和扫描电子显微镜 (SEM) 等显微镜技术可提供更高的放大倍率和分辨率，从而能够检测更小的缺陷。

另一方面，X 射线和光致发光技术（ photoluminescence techniques ）用于半导体行业的计量。 计量是指半导体器件或结构的各种参数的测量和表征。

X 射线计量涉及使用 X 射线辐射来探测样品的内部结构和特性。 X 射线技术，例如 X 射线衍射 (XRD) 和 X 射线光电子能谱 (XPS)，可以提供有关样品内晶体结构、成分和层厚度的信息。

光致发光计量利用光激发从样品产生光发射。 通过分析发射的光，可以获得有关电子特性的信息，例如带隙能量、缺陷和杂质。 光致发光对于表征半导体材料和器件特别有用，包括确定材料质量以及缺陷或杂质的存在。

总之，光学检测技术用于缺陷检测，而 X 射线和光致发光技术用于半导体制造中的计量。 每组技术都有不同的目的，并提供有关正在分析的样品的特定信息。

基于光学、X 射线的芯片缺陷非破坏（NDT）检查方法

手动、光学、X 射线检查都是非破坏性方法，基本 X 射线检查对于检查包装完整性非常有用。 很大一部分全身缺陷模式可以通过X射线轻松识别，因此受到客户的欢迎。 根据客户要求，可以在专门的失效分析实验室进行包装的破坏性机械横截面和扫描电子显微镜检查。

手动、光学和 X 射线检查是各种行业（包括半导体制造）中常用的非破坏性检查方法。 这些方法允许在不对其结构造成任何损坏或改变的情况下评估样品。

如前所述，光学检查涉及使用可见光或近红外光来观察样品并检测任何表面缺陷或异常。 这些检查通常由操作员或自动化系统（例如自动光学检查（AOI）系统）手动进行。

另一方面，X 射线检查利用 X 射线辐射来探测样品的内部结构。 X 射线可以穿透材料并提供有关样品完整性的信息，例如电子元件的包装完整性。 基本的 X 射线检查可以帮助识别很大一部分系统缺陷模式，因此受到客户的青睐。

如果需要进一步分析，客户可能会要求破坏性技术，例如包装的机械横截面和扫描电子显微镜 (SEM)。 机械横截面涉及切割样品并在显微镜下研究其内部结构，通常会揭示有关缺陷或故障的细节。 SEM 利用电子束生成样品表面的高分辨率图像，提供有关其形态和成分的信息。

这些破坏性技术通常在专门的故障分析实验室中执行，并且在非破坏性方法不足以识别和理解故障或缺陷模式的根本原因时使用。

总之，包括手动、光学和基本 X 射线检查在内的无损方法通常用于缺陷检测和样品评估。 如果需要进一步分析，可以根据客户的要求进行更先进的技术，例如破坏性机械横截面和扫描电子显微镜。

设计严格的测试流程以确保批量生产SiC的 质量和可靠性

SiC 的批量生产相对较新，其在汽车应用中的应用也是如此。 因此，我们正在设计严格的测试流程以确保质量和可靠性。 测试是在多种温度、电压和频率下进行的。 这是至关重要的，因为缺陷在较低频率和电压下可能看起来是良性的，但随后在较高频率和/或电压下就会显现出来。

与硅等传统材料相比，碳化硅 (SiC) 的批量生产及其在汽车应用中的使用相对较新。 因此，我们正在开发严格的测试流程，以确保 SiC 组件的质量和可靠性。

测试 SiC 组件的一个重要方面是评估其在多种工作条件下的性能，包括不同的温度、电压和频率。 这是至关重要的，因为 SiC 器件中的缺陷或问题在较低频率或电压下可能并不明显，但随着工作条件的变化可能会显现出来。

通过在测试过程中将 SiC 组件置于一系列温度、电压和频率下，制造商可以识别在各种操作条件下可能发生的任何潜在弱点或故障模式。 这有助于确保组件在其预期使用寿命内可靠地运行。

在较高频率和电压下进行测试尤其重要，因为 SiC 器件通常在高功率和高频应用中表现出色。 这些条件给组件带来了更大的压力，因此确定在这些极端条件下运行时是否出现任何缺陷或问题非常重要。

总之，汽车应用中 SiC 元件的严格测试过程涉及评估其在不同温度、电压和频率下的性能。 这有助于识别在较低运行条件下可能不明显的潜在缺陷或问题，确保 SiC 产品的质量和可靠性。

电源 IC 需要进行功能和性能测试

由于其模拟特性，电源 IC 需要进行功能和性能测试。 对于电源IC来说，测试分为静态测试和动态测试，即直流测试和交流测试。 静态测试在室温下进行，而动态测试在高温下进行。

由于功率集成电路 (IC) 的模拟特性和功率应用的特定要求，因此需要进行功能和性能测试。 这些测试通常分为静态（DC）和动态（AC）测试。

静态测试涉及评估电源 IC 在室温稳态条件下的性能。 这包括测量各种电气参数，如电流、电压、电阻和其他特性，以确保 IC 按预期运行，没有任何异常或偏差。 静态测试对于验证电源 IC 核心组件的功能并确保它们满足所需的规格至关重要。

另一方面，动态测试涉及评估电源 IC 在不同工作条件下（通常是高温条件下）的性能。 动态测试评估 IC 在瞬态事件期间的行为，例如开关操作、负载条件变化或正常操作期间发生的其他动态事件。 通过将电源 IC 置于这些动态条件下，制造商可以验证其在实际场景下的可靠性、稳定性和性能。

动态测试期间在高温下测试电源 IC 尤为重要，因为电源应用通常涉及高温环境。 确保 IC 能够承受热应力并在这种条件下保持其性能和可靠性至关重要。

总之，电源 IC 需要静态和动态测试来评估其功能和性能特征。 静态测试在室温下进行，以评估各种电气参数，而动态测试则评估 IC 在不同工作条件（通常包括高温）下的行为。 这种全面的测试方法有助于确保电源 IC 的质量、可靠性和适用性。

与宽带隙器件中观察到的栅极阈值漂移相关的可靠性问题

与宽带隙器件中观察到的栅极阈值漂移相关的可靠性问题也推动了严格的测试。

与宽带隙器件中观察到的栅极阈值漂移相关的可靠性问题在推动电源 IC 的严格测试方面也发挥着重要作用。

宽带隙器件，例如基于碳化硅 (SiC) 或氮化镓 (GaN) 的器件，与传统硅基器件相比具有多种优势，包括更高的工作电压、更快的开关速度和改进的热性能。 然而，这些器件容易受到栅极阈值漂移的影响，这是打开或关闭器件所需的电压电平的无意变化。

栅极阈值漂移可能因多种因素而发生，包括温度、电压应力、老化和制造工艺变化。 这种漂移会影响设备的性能、可靠性和整体功能。 为了确保基于宽带隙器件的电源IC的可靠性，需要进行严格的测试。

栅极阈值漂移测试涉及将器件置于不同的工作条件下，包括温度变化和电压应力，并随时间监测其性能。 通过进行长期可靠性测试，制造商可以识别栅极阈值电压的任何变化并评估对设备运行的影响。

严格的测试还有助于了解导致栅极阈值漂移的因素，并使制造商能够实施设计改进或流程优化来缓解此问题。 此外，这些测试有助于验证宽带隙器件在实际电源应用中的稳定性和寿命，确保其可靠性和寿命。

总之，与宽带隙器件中观察到的栅极阈值漂移相关的可靠性问题需要对电源 IC 进行严格的测试。 通过进行彻底、全面的测试，制造商可以识别并缓解与栅极阈值漂移相关的任何问题，确保基于这些先进半导体材料的电源 IC 的可靠性和性能。