耐高温SiC：通往商业化功率器件之路

密歇根大学（U-M）获得重要资金支持，以推动耐高温碳化硅（SiC）半导体从实验室走向商用制造。

密歇根大学近日获得“硅十字路口微电子共享中心”（Silicon Crossroads Microelectronics Commons Hub）拨款240万美元，旨在推动耐高温碳化硅半导体从实验研究迈向商业化生产。该研究将进一步扩展SiC在先进航空器、电动汽车、可再生能源系统、国防及太空探索等领域的应用。

该项目聚焦于将耐高温SiC器件“从实验室推向工厂”（from lab to fab），预计未来三年内将获得最高达750万美元的追加投资。

关键词：耐高温SiC, 开源PDK, 航空航天应用

SiC的耐热特性

碳化硅（SiC）是唯一由硅与碳构成的化合物，具备优异的高温稳定性。在高达2500°C的温度下依然保持稳定，其熔点约为2830°C。凭借这一热性能，SiC被广泛应用于加热元件、晶圆托架支撑件及半导体设备中的桨叶等高温环境中。

与传统硅材料相比，SiC器件在承受高电压、高温及辐射方面表现出更强的抗性。因此，研究人员正积极探索其在极端环境下的潜力。

在美国国家航空航天局（NASA）格伦研究中心（GRC），工程师正推进SiC技术发展，使其能够支持智能传感与控制电子系统在极端航空航天环境中运行，温度可达600°C（1112°F），远超传统硅基系统的工作极限。

NASA GRC的微系统制造实验室（MFL）拥有约3000平方英尺的ISO 5和6级洁净室，是全球唯一能连续一年在500°C下运行封装半导体集成电路的设施。该实验室还具备定制陶瓷封装能力，支持SiC电子与传感芯片在高温下长期运行。

注：此处配图为封装于高温陶瓷中的SiC芯片（图片来源：密歇根大学新闻/NASA GRC提供）

尽管SiC已在电动车、太阳能和风能逆变器等功率电子中被广泛采用，但这些应用往往未能充分发挥其在极端条件下的优异性能。

U-M项目的目标是将NASA的技术和制造工艺扩展至主流晶圆尺寸，并通过开源模式普及SiC芯片设计，使这一先进材料更易为广大工程师与产业用户所用。

项目合作方及其角色

该项目由多个机构组成的联盟联合推进，各方发挥专业特长，包括：

• 密歇根大学（牵头单位）
• NASA格伦研究中心
• 通用电气航空研究中心（纽约尼斯卡尤纳）
• Ozark IC公司（阿肯色州费耶特维尔），专注于高温先进封装技术
• Wolfspeed公司（北卡罗来纳州），全球领先的SiC器件制造商

尽管SiC具有广泛应用潜力，项目初期将聚焦于航空航天领域，开发能显著提升发动机可靠性并优化尺寸、重量与功耗的先进电子与传感器件。一个关键里程碑将是展示适用于航空控制系统的SiC封装致动器，即将电信号转化为机械动作的器件。

据U-M新闻报道，NASA GRC与GE航空研究中心将合作推进高温SiC结型场效应晶体管（JFET）的制造工艺，从100毫米小尺寸晶圆扩展至更具工业标准的150毫米。

Ozark IC将贡献其在封装、系统集成与工艺商业化方面的专长。该公司已通过先进封装实现SiC在超过800°C（1472°F）条件下稳定运行。

本次合作建立在DARPA资助的“高操作温度传感器”（HOT Sensors）计划的基础上。

Wolfspeed公司拥有30余年SiC开发与晶圆制造经验，将提供项目所需的高规格SiC外延晶圆，并就设计策略提出专业建议，助力商业化落地。

普及SiC器件设计

本项目的核心之一，是让IC设计师更容易接触并使用SiC技术。U-M由电子与计算机工程教授David Wentzloff领导的团队，正在开发开源工具，使模拟与混合信号电路的设计可通过数字自动化框架实现。

这些电路对管理电能、传感数据转换与驱动控制器等关键功能至关重要，特别是在喷气发动机等复杂系统中。

传统上，模拟电路的设计对专业技能要求较高。U-M团队所提出的简化方法，使非专业设计人员也能开展相关设计。

此外，U-M还将构建标准电路模块库并开发精细化晶体管模型，并将其整合为工艺开发套件（PDK），以支持开放式电子设计自动化（EDA），进一步降低SiC芯片创新门槛。

U-M团队还将对NASA与GE制造、Ozark IC封装的器件进行严格测试，并据此生成高质量PDK与开源EDA软件。

该开源方法致力于IC设计自动化及性能建模，赋能工程师开发基于SiC技术的商用产品。

产业影响与应用前景

传统硅基功率器件在航空发动机控制系统中存在温度极限（通常不超过125°C），因而需复杂的冷却系统，或将其布置于较冷区域。

相比之下，SiC器件可在发动机最热区乃至排气系统中可靠运行。该项目的技术突破有望催生新型传感器与致动器，简化电气架构、减轻系统重量。

此外，SiC可承受极端高温的能力，也为高超音速飞行器系统等新兴领域的发展提供坚实基础，这些系统工作温度远超传统硅基电子的能力范围。

本项目名为《通过350°C至500°C SiC电子系统提升发动机可靠性与SWaP（尺寸、重量与功耗）性能》，是2024年美国国防部在CHIPS法案资助的“微电子共享中心”计划下遴选的34个项目之一。该计划旨在推动美国本土微电子制造与创新能力的发展。

来源：三代半食堂

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