2款最新碳化硅模块拆解，什么水平？

今年，日本有2款碳化硅模块值得关注，分别来自日本电装的PowerCard双面水冷塑封模块，以及三菱电机和罗姆参与的“羽毛”逆变器模块。

电装PowerCard改用水平放置设计

采用740A大尺寸SiC MOSFET

2026年，丰田汽车在碳化硅技术的导入速度在加快，除了bZ4X等纯电汽车外，他们的RAV4等插混汽车也采用了碳化硅MOSFET模块。

功率模块行业对电装的PowerCard已经非常熟悉了，但是最近他们披露了更多的技术细节，我们来看看有哪些新的亮点。

从下图可以看出，电装上一代的逆变器采用的是并排多个PowerCard模块并排堆叠的双面散热方法，即功率模块垂直排列，这种设计导致逆变器的高度很难降低。

电装第4代逆变器与功率模块散热设计

为了提高功率密度，电装改变功率模块布局和冷却结构，新一代逆变器采用类似于HPD模块的水平放置的双面散热方法，从而把逆变器做得更薄、更小，并且提高了布局的灵活性。

电装新一代逆变器与功率模块散热设计

据介绍，通过采用碳化硅芯片，新一代逆变器的功率密度相比上一代设计提高了70%，达到了85 kW/L。

另外，电装新一代逆变器的SiC MOSFET也“与众不同”。根据电装公司的最新论文，他们采用了104mm2的大尺寸SiC MOSFET芯片。

电装的SiC MOSFET单芯片出流能力达到740A，而其他企业常规的5*5mm2碳化硅芯片出流能力通常为280A以下。

电装SiC MOSFET单芯片出流能力

据介绍，电装公司从20世纪90年代开始进行SiC器件的研究和开发，于2020年发布了第一代沟槽栅SiC MOSFET，2023年发布第二代沟槽栅SiC MOSFET。而最近他们开发了第三代沟槽栅器件。

电装公司第3代SiC MOSFET结构示意图

电装的第三代 SiC MOSFET除了垂直于沟槽的深p1区外，还增加了平行于沟槽方向的深p2 区，这些深p2 区与沟槽底部接触。据介绍，通过以晶格图案形成深p区，并用p型区覆盖整个沟槽底部，可以显著降低电场强度。因此，即使深p区较浅，其电场强度也能得到充分降低，其深度比第二代浅0.8 μm。通过减小深p区的深度，可以降低深p区之间的JFET电阻，从而降低导通电阻。此外，晶格图案深p结构还能显著降低栅漏电容和电荷，因此可以增大开关操作期间的dv/dt，从而降低开关损耗。

另外论文还提到，他们新添加的深p2区是在沟槽下方采用自对准工艺形成的，而其他扩散层则采用室温离子注入工艺，从而显著降低了制造成本。通常，当对室温离子注入产生的晶体缺陷施加高电场时，DS漏电流会增加。但是他们通过优化扩散层轮廓，这个问题得到了解决。

有无深p2区时导通电阻和电场强度之间的权衡特性

但是，要开发大尺寸SiC MOSFET通常受限于碳化硅衬底的缺陷密度，为此，电装公司采用了重复A面生长法（RAF），即使芯片尺寸达到10.2 mm见方，SiC MOSFET也成功实现了量产级别的良率。

电装公司重复A面生长法

那么采用这么大尺寸的SiC MOSFET有什么重要意义呢？

电装公司表示，传统的Si-IGBT 需要两颗芯片并联才能实现高电流，而他们新开发的 SiC MOSFET只需一颗芯片即可实现。这种单芯片方式减少了并联连接中不均流和振荡现象的隐患，从而简化了逆变器/模块的设计。

而且，采用大芯片的好处是显而易见的，每个电源控制单元 (PCU) 所需的powercard模块数量可以从之前的16个，减少到11个，从而可以缩小电源控制单元 (PCU) 的尺寸。

此外，电装新一代powercard模块的绝缘材料也有亮点。

根据电装的合作伙伴住友公司介绍，他们为电装开发出一种兼具业界领先的散热和绝缘性能的散热绝缘片，可替代功率模块中使用的陶瓷基板，并已被NHK Spring公司做成了树脂绝缘基板。

住友透露，通过采用高散热树脂和BN填料取向控制技术，他们在树脂绝缘基板中实现了与氮化硅（AMB基板）相当的低热阻，而且具有耐热性，能够在150°C以上的温度下连续运行，并且抗翘曲性能优于陶瓷基板，简化了贴装工艺，提高了良率。

羽毛逆变器：

混碳模块实现超薄超轻化设计

9月9日，日本名古屋大学联合三菱电机和罗姆半导体等机构研发的“羽毛逆变器”正式对外亮相。

据介绍，这块新型逆变器实现了超小型化和超薄化设计，其额定电压为800V，输出功率为230kW，与特斯拉 Cybertruck皮卡上使用的逆变器相同，但是体积和厚度大幅缩小。

Cybertruck采用了24个2合1的T-pak小模块，合计48颗SiC MOSFET，而羽毛逆变器采用了12个小模块，只需24颗开关器件。

据了解，这款羽毛逆变器是由8家日本公司合作开发，涵盖了从材料到半导体元件的各个环节，其中采用了日本尖端技术，例如SiC/Si功率半导体、超高密度冷却器以及树脂冷却外壳等。

其中，三菱电机负责Si IGBT功率半导体芯片，罗姆负责SiC功率半导体芯片，AOI电子负责功率模块封装，成功实现了Si IGBT与SiC功率芯片的同时封装，为世界首创。

从下图（左）可以看出，这个SiC/Si混合模块似乎采用了类似powercard的封装形式，单个模块采用了Si IGBT和MOSFET各一颗。

另外，大丰工业负责超微细冷却翅片的设计与封装，东丽负责PPS树脂制冷却器壳体和高热传导绝缘黏合片，通过将金属与树脂各取所长进行组合，为羽毛逆变器的轻量化作出了巨大贡献。

此外，尼吉康负责耐高温、小型轻量化薄膜电容器，名古屋大学负责其布线设计，松下开发了可将噪声转换为热量的新概念噪声滤波器，并成功完成了试制与实机验证。相比传统滤波器可实现体积削减。同时，松下还提供滤波电容器技术。

同时，若各位行家朋友对碳化硅模块领域有更多独到见解、补充信息与深度观点，也诚挚欢迎大家与我们沟通探讨、互通共进。

来源：行家说三代半

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