文章來源：中國電機工程學報
作者：李現兵 1，楊同同 1，姚鵬 1，鐘期雨 1，嶽瑞峰 1，王燕 1，韓榮剛 2，王亮 2(1．清華大學內建電路學院；2．國網智能電網研究院有限公司)
摘要：文中提出一款基于自主設計的尺寸為 8mm 8mm 的10kV 碳化矽 (silicon carbide， SiC) 門極可關斷晶閘管(gate-turn-off thyristor，GTO)單晶片封裝的焊接式子產品。詳細介紹 10kV SiC GTO 子產品的設計與制造技術，通過對比裸晶片與封裝後子產品在 10.5kV 阻斷電壓下的漏電流，驗證子產品絕緣設計備援和封裝工藝，對子產品的動态、靜态、極限過流能力、關斷增益等性能進行測試并給出初步測試結果。
關鍵詞：SiC；10kV；SiC 門極可關斷晶閘管子產品；開關時間；極限通流
0 引言
一代電力電子器件主導一代電力電子技術，降低電力電子裝置系統成本和裝置損耗的主要手段是希望擁有更為理想特性的功率半導體器件：擁有更高的阻斷電壓、更低的導通壓降以及更快的開通、關斷轉換時間和 dv/dt、di/dt 耐受能力[1]。目前矽基功率半導體器件的性能在高電壓大功率等方面和高溫、射線等極端環境條件下已經逼近了材料極限，如高壓 IGBT 子產品不得不采取大規模晶片并聯技術，高壓輸電領域不得不串聯和并聯更多子產品，使得系統更複雜、損耗加大、可靠性降低、成本提高[2-3]。
與傳統矽材料相比較，近年來碳化矽(siliconcarbide，SiC)以其 3 倍矽的帶寬、10 倍矽的臨界擊穿場強、2.2 倍的飽和載流子遷移率和 3 倍的熱導率等優良的綜合實體性能，已經成為第三代寬禁帶功率半導體器件的首選材料[4]。SiC 半導體器件在650~1700V 低壓範圍内，主要面向新能源、電動汽車、充電電源等工業和消費類場景，這類器件單體功率小、數量大[5]；在高壓方面，近年來的主要應用研究熱點在電網固态變壓器、高壓斷路器、機車牽引、工業變頻及高壓脈沖電源等領域，器件的電壓等級向 10、20 甚至 30kV 發展，電流等級大部分需求為百安、千安甚至上萬安的級别以用于特高壓輸電領域[6-10]。
随着高品質、大尺寸 SiC 襯底與多層厚外延片制備工藝技術的發展，國際上高壓 SiC 器件取得了長足的進展，尤其是在阻斷電壓方面，美國的北卡羅萊那大學和 Cree 公司相繼報道了阻斷電壓超過6.5、10 和 15kV 的 SiC MOSFET[11-12]；20kV 以上的雙極器件相繼實作了7~39kV的PIN二極管[13-14]；2015年SiC IGBT的電壓電流已經提高到了27.5kV/20A[15]。2013 年，CREE 公司将 SiC p-GTO 提高到了 20kV[16]，2019 年報道了 15kV SiC n-GTO[17]；2017 年報道了 22kV SiC 門極可關斷晶閘管(emitter turn-off thyristor，ETO) p-ETO[18]。
在國内，2018 年報道了阻斷電壓為 12kV 的 SiC N 溝道 IGBT[19]，2020 年報道了阻斷電壓達到6.5、10和15kV的SiC MOSFET[20-21]。2021 年他們又聯合國網智能電網研究院研發了6500V/400A 全 SiC MOSFET 子產品和 18kV/12.5ASiC IGBT 晶片，并封裝了 18kV/125A SiC IGBT 壓接子產品[22]。
清華大學于 2018 年在國内首次實作了 10kV SiC p-GTO[23]，其展現出良好的動、靜态性能，晶片尺寸隻有 1.6mm 1.6mm，且沒有進行封裝；在2022 年 2 月又實作了晶片尺寸 5mm 5mm、阻斷電壓為 12.5kV SiC p-GTO[24]。雖然目前能看到國内其他機關也在開展高壓碳化矽 GTO 的研究，多是集中在器件和高壓終端仿真方面的研究[25-27]。
相較于 6.5kV 矽 IGBT，10kV 及以上電壓等級SiC GTO 具有低的漏電流、高使用結溫、高的開關頻率與過電流能力；雖然同等電壓等級 SiC IGBT也已經取得了長足的發展，由于栅氧層可靠性問題，目前其運作結溫仍然限制在 150℃以内，而 SiC GTO 則不受栅氧可靠性限制，可運作在更高結溫，進而可以簡化散熱系統；同時，相較 SiC MOSFET和 IGBT 還有更低通态電壓，具有更低通态損耗，在智能電網用固态變壓器、直流斷路器、脈沖電源、宇航器等領域都有潛在的技術優勢[28-29]。
大陸在 SiC 襯底、器件制造技術兩個方面與美國、日本和歐洲均有較大的差距。尤其是在高品質栅氧工藝和多層、厚外延層生長技術方面差距更大，是以，需要栅氧工藝的栅控器件大規模生産尚需時日，對于 10kV 及以上必須采用具有多層、厚外延層 SiC 晶圓制造的特高壓器件實作難度更大，這已成為制約大陸高壓大功率碳化矽器件發展的主要技術瓶頸。10kV SiC GTO 器件屬于電流控制器件，避開了不成熟的栅氧工藝，避開了碳化矽器件栅氧可靠性在 150℃以内的限制[30]這種電流控制器件最有可能實作更高結溫的運作溫度，是以有可能成為最先實作規模化量産并投入使用的高壓器件[31]。由于國内缺乏 10kV 以上高壓晶片的自由供應，無論是科研機構還是高校，在 10kV 以上高壓子產品的封裝技術研究方面，尤其是對高速開關、高結溫、高電流密度、高發熱密度的高壓碳化矽器件的研究仍然處于起步探索階段。
本文基于自主研制的碳化矽 GTO 器件[24]報道一款阻斷電壓大于 10kV、晶片大小為 8mm 8mm的單晶片高壓 SiC GTO 焊接式封裝子產品，并對子產品的基本性能給出初步測試結果。
1 10kV SiC GTO 子產品封裝
針對本課題組自主研發的 10kV SiC GTO 高壓晶片的測試及單晶片封裝子產品的性能進行了詳細的子產品設計，主要開展了絕緣、散熱、電氣結構、寄生參數、機械結構以及子產品可靠性等幾個方面的工作。本文介紹了該子產品的主要設計技術參數和電氣性能測試結果，同時也重點驗證子產品的高壓絕緣設計及絕緣工藝，電氣模型與熱模拟将專文予以介紹。
子產品封裝采用尺寸為 8mm 8mm 的 10kV SiC GTO 晶片，晶片及雙面陶瓷覆銅闆的電氣布局及尺寸如圖 1 所示。
子產品采用了成熟焊接子產品的熱設計，結溫 175℃殼溫 80℃。考慮到焊接式封裝晶片為單面散熱，不存在多晶片并聯晶片熱分布集中問題，子產品采用了高導熱的氮化鋁陶瓷覆銅闆實作電氣連接配接、絕緣與散熱結構，基闆采用了 4mm 薄型鍍鎳紫銅闆預彎反變形結構，以糾正焊接熱應力導緻的中間拱起，并減少散熱距離，滿足單晶片小電流子產品封裝要求，後續大功率的多晶片并聯需采用壓接式雙面散熱。
陶瓷覆銅闆為氮化鋁直接覆銅(direct bonging copper，DBC)，表面電鍍鎳并鈍化提高可焊性，具體尺寸如圖 1 所示，晶片焊盤部位尺寸為8.2mm 18mm，預留後續雙晶片并聯封裝空間。DBC 電氣連接配接端子間隙預留 2mm 寬度，灌注矽凝膠或者矽橡膠(絕緣耐壓 24kV/mm)，按照 15kV 絕緣條件至少兩倍的絕緣備援。覆銅層距離氮化鋁邊緣2.5mm，氮化鋁背部金屬距離邊緣2.5mm，設計絕緣寬度5mm，以給出足夠的焊料溢出距離帶來的絕緣風險，灌封矽凝膠後的有效絕緣距離不低于3mm。底闆尺寸為 48mm 80mm 4mm，采用碳化矽鋁闆或紫銅闆為基闆，其中碳化矽鋁闆用以進行後續的高溫性能測試，紫銅底闆用于本次正常性能測試。
絕緣管殼根據國标 GB/T 16935.1—2008《低壓系統内裝置的絕緣配合 第 1 部分 原理、要求和試驗》中規定的 II 類污穢标準進行設計，電氣間隙絕緣距離按照 2000 米海拔以内，交流非均勻電場條件下 12.7kV 時電氣間隙 30mm 設計。一類污穢條件下最小爬電距離不低于 71mm，二類污穢條件下爬電距離不低于 63mm。由于子產品的外絕緣與引出端子長度在設計上存在協調要求，為了盡可能的降低端子帶來的寄生電感，在不影響子產品外絕緣爬電距離的情況下，設計時盡可能的縮短端子長度，外絕緣傘裙的爬電設計距離為 76.5mm，端子間爬電距離為 71mm。内絕緣采用灌封矽凝膠或者耐 300℃高溫矽橡膠，灌膠量可完全阻斷子產品内部端子之間的沿面放電。端子高度為 19.5mm，絕緣管殼高度為 23mm，子產品總厚為 27mm，端子長度盡可能壓縮到封裝工藝所能允許的極限高度，子產品總體尺寸為 80mm 52mm 27mm。子產品封裝設計原理如圖 2(a)、(b)所示，圖 2(c)為實物圖。子產品封裝采用釺焊焊接工藝，晶片采用 295℃錫鉛高溫軟釺料釺焊，端子及 DBC 與底闆的焊接采用 220℃錫銀低溫軟釺料二次釺焊。管殼采用耐 300℃高溫的聚醚醚酮(PEEK)材料，采用可長期耐溫 250℃膠粘接後進行灌膠，分兩次灌膠與脫氣。第一次灌膠量覆寫鍵合線，1~10Pa 的真空脫氣 15min；第二次灌膠量淹沒陰極與陽極端子隔離牆，并預留排氣空間，確定脫氣順利，然後在 1~10Pa 真空度下脫氣 15min；矽凝膠固化工藝根據所選型号要求的溫度進行固化。
本文對比測試了同一晶片在 10.5kV 下封裝前後的漏電以檢測子產品封裝的外絕緣與内絕緣情況。測試結果表明，10.5kV 漏電流 0.5A 的晶片在封裝成子產品後，漏電流前後并無明顯變化。說明子產品的内外絕緣沒有漏電流，絕緣設計有足夠的備援。
2 10kV SiC GTO 子產品的靜态特性
為了測試 10kV SiC GTO 子產品的正向阻斷性能，本文搭建了阻斷測試裝置，其主要由可調節高壓直流源、限流電阻、電流表、示波器及被測器件組成。其中可調節高壓直流源為 220V 調壓器連接配接一個升壓變壓器，然後再進行橋式整流和電容濾波，測試電路原理見圖3，搭建的阻斷測試電路見圖4。
将子產品的門極接地，陰極加負 10.5kV 電壓，測試子產品的漏電流。表 1 為阻斷電壓 10.5kV 條件下一組子產品的漏電流，測試結果表明，所研制的碳化矽GTO 子產品漏電流均小于 40A。由于晶片外延片與工藝的不均勻問題，晶片漏電流還存在較大的分散性。通過人工間斷采集資料，圖 5 為序列号尾号為 50 号的子產品每 2kV 一個記錄點的正向阻斷曲線。
采用北京博電(PONOVO)型号為 PST6747A 的功率半導體器件靜态參數測試分析系統(見圖 6)對10kV SiC GTO 子產品的正向導通特性進行了測試，該系統具有優異的寬電壓和電流測量能力。脈沖測試電流的寬度為 200s，脈沖間隔為 800s，在無散熱、限流 40A 的條件下，測試得到如圖 7 所示的典型正向導通特性曲線。由圖可知，室溫下正向導通電流為 40A 時，器件的正向導通壓降為 5.7V。
3 10kV SiC GTO 子產品的動态特性
為了測試 10kV SiC GTO 的動态特性，采用如圖 8 所示的電路圖，搭建的測試電路見圖 9。
本實驗采用自主搭建的動态測試電路，通過控制門極電流 IG的方向來控制 10kV SiC GTO 子產品的開通和關斷，通過控制15~10V 電壓源的正負控制Rg 的電流的方向，通過手工開通電壓源脈沖觸發信号，獲得的一組典型的被測器件獨立的開通和關斷波形，分别如圖 10、11 所示。
圖 10 為 10kV SiC GTO 子產品的一組 1000V 母線電壓 5A 電流的一個典型開通波形，由于電路存在寄生電感，IG 存在電流波動現象，IAK 同時也有一個波動；随着 IG逐漸穩定後，陰極電流 IAK逐漸上升到 5A，母線電壓 VAK 迅速下降，短暫震蕩後穩定到通态導通壓降，GTO 子產品從正向阻斷狀态轉換為正向導通狀态。由圖 10 可知，上升時間約為1.45s(最大值的 10%~90%)。計算得到的 di/dt 約為3.44A/s，電壓變化率 dV/dt 約為 14.3kV/s。
圖 11 為 10kV SiC GTO 子產品在 1000V 母線電壓下的一組典型關斷波形，由圖可知，GTO 子產品在關斷過程中存在典型的電流拖尾現象。IG由 0 上升到 5A 後，IAK同時開始緩慢下降，關斷過程開始，同時母線電壓 VAK逐漸上升；當 IAK 下降到 1.6A 左右時，VAK上升到接近母線電壓 1000V，GTO 子產品從正向開通狀态轉換為正向阻斷狀态，IAK 下降到0A，關斷過程結束。
由圖 11 還可知，子產品電流的下降時間約為4.73s，計算得到的 di/dt 約為 1A/s，電壓變化率dV/dt 約為 211V/s，子產品的關斷拖尾時間較開通過程長。
4 10kV SiC GTO 子產品的關斷增益
碳化矽 GTO 的關斷增益測試電路和圖 6 類似。測試時，将陽極和陰極電壓設定為 70V，限流電阻為 100。碳化矽 GTO 的關斷增益計算方法為關斷時的陽極和陰極之間的電流 IAK除以門極電流 IGA。
圖 12 為子產品關斷增益測試的波形圖，由圖中測得的陽極和陰極之間的電流 IAK 及門極電流 IGA進行計算，這款 10kV SiC GTO 子產品在較低的電壓條件下，計算得到的關斷增益為 2.53。
5 10kV SiC GTO 子產品極限通流能力
采用圖 6 中所示北京博電(PONOVO)型号為PST6747A 的功率半導體器件靜态參數測試分析系統對上述子產品的脈沖過電流能力進行測試。受測試裝置最大為1500A 測試能力的限制，采用200s 的脈沖寬度，在無散熱條件下，子產品的極限通流測試到 1450A，在此處的導通壓降增加至15.8V，待後續裝置更新且子產品增加冷卻後，還有望測得更大極限脈沖過電流，如圖13 所示。
6 結論
本文報道了一款采用自主設計并流片制造出的阻斷電壓為10kV、晶片面積為8 8mm 的SiC GTO 單晶片封裝功率子產品及其初步檢測結果。對子產品進行10.5kV 的阻斷耐壓測試時，子產品的漏電流與晶片的漏電流一緻，說明子產品的外絕緣和内絕緣無漏電，子產品封裝滿足設計要求。對子產品的動、靜态性能測試表明，研制的10kV SiC GTO 子產品具有較為優越的靜态、動态及耐過流能力。該子產品可望用于高壓開關、脈沖電源、變頻裝置、斷路器及配電網用固态變壓器的前期應用研究。同時也為後續開展 10kV/1000A 及以上電流等級SiC GTO 子產品的封裝奠定一定基礎。
參考文獻
[1] 盛況，郭清，張軍明，等．碳化矽電力電子器件在電力系統的應用展望[J]．中國電機工程學報，2010，32(30)：1-7．
[2] SANG Ling，ZHANG Wenting，AN Yunlai，et al．Development of high-voltage SiC power electronic devices[C]//Proceedings of the 2021 18th China International Forum on Solid State Lighting & 2021 7th International Forum on Wide Bandgap Semiconductors(SSLChina：IFWS)．Shenzhen：IEEE，2021：17-24．
[3] VAN WYK J D．Power electronics technology at the dawn of a new century-past achievements and future expectations[C]//Proceedings of the Third International Power Electronics and Motion Control Conference．Beijing：IEEE，2000：9-20．
[4] BHATNAGAR M，BALIGA B J．Comparison of 6H-SiC，3C-SiC，and Si for power devices[J]．IEEE Transactions on Electron Devices，1993，40(3)：645-655．
[5] LEE H，SMET V，TUMMALA R．A review of SiC power module packaging technologies：challenges，advances，and emerging issues[J]．IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2020，8(1)：239-255．
[6] 溫家良，葛俊，潘豔，等．直流電網用電力電子器件發展與展望[J]．電網技術，2016，40(3)：663-669．
[7] LIU Zhehong，GAO Liying，YU jun，et al．R & D ideas of 1000kV UHVDC transmission technology [J] ．Proceedings of the CSEE，2009，29(22)：76-82．
[8] JACOBS K，JOHANNESSON D，NORRGA S，et al．MMC converter cells employing ultrahigh-voltage SiC bipolar power semiconductors[C]//Proceedings of the 19th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE ECCE Europe)．Warsaw：IEEE，2017：P.1-10．
[9] WANG Jun，SHUAI Zhikang，SHEN J．Feasibility of high voltage SiC thyristor in HVDC transmission[C]//Proceedings of 2014 IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference (IEEE PES APPEEC)．Hong Kong，China：IEEE，2014：1-4．
[10] ZHANG Liqi，WOODLEY R，SONG Xiaoqing，et al．High current medium voltage solid state circuit breaker using paralleled 15kV SiC ETO[C]//Proceedings of 2018 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC) ． San Antonio ： IEEE ， 2018 ：1706-1709．
[11] WANG Xiaokun，COOPER J A．High-voltage n-channel IGBTs on free-standing 4H-SiC epilayers[J] ． IEEE Transactions on Electron Devices，2010，57(2)：511-515．
[12] PALA V，BRUNT E V，CHENG Lin，et al．10kV and 15kV silicon carbide power MOSFETs for next-generationenergy conversion and transmission systems[C]//Proceedings of 2014 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE)．Pittsburgh：IEEE，2014：449-454．
[13] KAJI N，NIWA H，SUDA J，et al．Ultrahigh-voltage SiC p-i-n diodes with improved forward characteristics [J]．IEEE Transactions on Electron Devices，2015，62(2)：374-381．
[14] KENJI FUKUDA K，OKAMOTO D，OKAMOTO M，et al．Development of ultrahigh-voltage SiC devices [J]．IEEE Transactions on Electron Devices，2015，62(2)：396-404．
[15] VAN BRUNT E，CHENG Lin，O’LOUGHLIN M J，et al．27kV，20 a 4H-SiC n-IGBTs[J]．Materials Science Forum，2015，821-823：847-850．
[16] CHENG L，AGARWAL A K，CAPELL C，et al．20kV，2cm2，4H-SiC gate turn-off thyristors for advanced pulsed power applications[C]//Proceedings of the 2013 19th IEEE Pulsed Power Conference (PPC)．San Francisco：IEEE，2013：1-4．
[17] KIM M，TSOI T，FORBES J，et al．Analysis of a new 15kV SiC n-GTO under pulsed power applications[C]//Proceedings of 2019 IEEE Pulsed Power & Plasma Science (PPPS)．Orlando：IEEE，2019：1-4．
[18] SONG Ziaoqing，HUANG A Q，LEE M C，et al． Theoretical and experimental study of 22kV SiC emitter turn-off (ETO) thyristor[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2017，32(8)：6381-6393．
[19] 楊同同，陶永洪，楊曉磊，等．12kV 4H-SiC N 溝道 IGBT的設計與實作[J]．固體電子學研究與進展，2018，38(5)：311-315，323．
[20] 柏松，李士顔，費晨曦，等．新一代 SiC 功率 MOSFET器件研究進展[J]．人工晶體學報，2020，49(11)：2122-2127．
[21] YANG Xiaolei，LI Shiyan，LIU Hao，et al．Low Ron，sp．diff and ultra-high voltage 4H-SiC n-channel IGBTs with carrier lifetime enhancement process[C]//Proceedings of the 2020 17th China International Forum on Solid State Lighting & 2020 International Forum on Wide Bandgap Semiconductors China (SSLChina：IFWS)．Shenzhen：IEEE，2020：42-44．
[22] DU Yujie，LI Cui，TANG Xinling，et al．Fabrication and dynamic switching characteristics of 6.5kV400A SiC MOSFET module[C]//Proceedings of the 2020 17th China International Forum on Solid State Lighting & 2020 International Forum on Wide Bandgap Semiconductors China (SSLChina：IFWS)．Shenzhen：IEEE，2020：67-70．
[23] ZHOU Caineng，YUE Ruifeng，WANG Yan，et al．10kV 4H-SiC gate turn-OFF thyristors with space-modulated buffer trench three-step JTE[J]．IEEE Electron Device Letters，2018，39(8)：1199-1202．
[24] YANG Tongtong，LI Xianbing，WANG Yan，et al．12.5kV SiC gate turn off thyristor with trench-modulated JTE structure[J]．IEEE Transactions on Electron Devices，2022，69(3)：1258-1264．
[25] DING Yang，YUE Ruifeng，ZHANG Li，et al．Two-mesa，guard rings assisted two-zone JTE for ultrahigh-voltage( 10kV) 4H-SiC P-I-N diodes[C]//Proceedings of the
2014 12th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT)．Guilin：IEEE，2014：1-3．
[26] ZOU Xiao，YUE Ruifeng，WANG Yan．Etched junction termination extension with floating guard rings and middle rings for ultrahigh-voltage 4H-SiC PiN diodes[C]//Proceedings of 2016 IEEE International Conference onElectron Devices and Solid-State Circuits (EDSSC)．Hong Kong，China：IEEE，2016：418-421．
[27] LIANG Shiwei，GUO Jiaqi，LIU Hangzhi，et al．Evaluation of high-voltage 4H-SiC gate turn-off thyristor for pulsed power application[C]//Proceedings of the 2021IEEE 1st International Power Electronics and Application Symposium (PEAS)．Shanghai：IEEE，2021：1-4，DOI：10.1109/PEAS53589.2021.9628884．
[28] XU Xingliang，ZHOU Kun，ZHANG Lin，et al．High-voltage 4H-SiC GTO thyristor with multiple floating zone junction termination extension[C]// Proceedings of the 2018 1st Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications in Asia (WiPDA Asia)．Xi'an：IEEE，2018：149-152．
[29] JOHANNESSON D，NAWAZ M，NORRGA S，et al．Evaluation of ultrahigh-voltage 4H-SiC gate turn-OFF thyristors and insulated-gate bipolar transistors for high-power applications[J]．IEEE Transactions on PowerElectronics，2022，37(4)：4133-4147．
[30] HU Boxue，LYU Xintong，XING Diang，et al．A survey on recent advances of medium voltage silicon carbide power devices[C]//Proceedings of 2018 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE)．Portland：IEEE，2018：2420-2427．
[31] CHENG Lin，AGARWAL A，O'LOUGHLIN M，et al．Advanced silicon carbide gate turn-off thyristor for energy conversion and power grid applications[C]/ /Proceedings of 2012 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE)．Raleigh：IEEE，2012：2249-2252．
來源：中國電機工程學報
*聲明：本文由作者原創。文章内容系作者個人觀點，寬禁帶半導體技術創新聯盟轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表本聯盟對該觀點贊同或支援，如果有任何異議，歡迎聯系我們。