又一国产车规SiC亮相，性能比IGBT高出67%!

又有一家国内企业在车规级SiC技术的研发和应用方面实现了新的突破。

最近，江西万年芯微电子有限公司推出了首款基于SiC MOSFET技术的PIM模块(参见图1)，实现了对硅基IGBT芯片的模块替代，在系统损耗方面降低了三分之一。

与此同时，这款产品在技术上突破传统PIM模块灌封封装模式，模块体积减少约57％，而且使用了万年芯自主研发的10项工艺创新，模块可靠性得到大幅提升，非常适用于新能源汽车、充电桩、储能等新兴领域。

图1 万年芯首款SIC-PIM模块外形

万年芯首推SiC PIM

损耗减少三分之二

所谓功率集成模块（PIM）是一个行业标准外壳，内部通常会将功率器件（IGBT、SiC MOSFET）、二极管、检测电阻等其它元器件集成在一起，这种单个封装可大幅减少生产装配时间和器件数量，能够降低系统成本和尺寸。由于PIM模块还能够优化内部布线，减少寄生噪音，同时具有完全的自保护电路，为此PIM广受喜爱，已批量应用于汽车、充电桩、白色家电、工业变频、伺服驱动、商用空调等领域。例如，三花汽零在电子水泵上已经使用全桥PIM模块，出货给部分车型。

但是目前，业界普遍采用的PIM模块主要以高压IGBT为核心（参见图2），IGBT因其动态损耗而仅限于低频，随着功率吞吐量的增加，这个缺点显然越来越大，已经难以满足大功率场景的小型化和高效率要求。

图2 分立器件方案（左）与PIM方案（右）的对比 来源：安森美

最近，“行家说第三代半”获悉，万年芯在首款PIM模块外形基础上进行了产品系列化升级，推出了搭载SiC MOSFET先进芯片的大功率PIM模块及平板散热器模块（参见图3）。

图3 PIM平板散热器模块外形

相比之下，SiC MOSFET可以在数百千赫兹下以低动态损耗进行开关，能够大幅提升系统效率，据测算，在16KHz和95℃外壳温度下，SiC PIM的总损耗约为IGBT PIM的三分之一（输入500V、25A、输出800V DC），参见表1。

表1两种PIM升压转换器的损耗对比

SiC的高效率的好处能够缩小系统尺寸和散热需求，同时在更高频率下运行，还可以将升压电感器尺寸缩小三倍左右，从而节省系统成本和减轻重量。

万年芯成立于2017年3月，主要从事线宽7纳米及以上大规模集成电路、新型电子元器件、电力电子器件、混合集成电路的研发、设计、测试、封装与加工，产品线多样性及生产规模在江西省首屈一指，并且在功率模块封装测试方面积累了丰富的研发和制造经验。

据介绍，这款SiC MOSFET PIM模块拥有非常多的自主创新，例如采用多种自主创新的封装结构和工艺，使用了热敏电阻芯片（NTC）的高效贴片工艺，优化了高性能AMB基板布线设计和面积，达到了更高的可靠性和更低成本，并优选了有压烧结银封装材料和水冷铜针座散热器。

据万年芯透露，这些创新技术的组合，使得这款SiC MOSFET PIM模块的最大连续工作结温可达到175℃，在模块封装尺寸不增加的情况下，整体的输出功率得到大幅提升，相比硅基IGBT PIM，这款碳化硅PIM的额定电流提升了50%。借助SiC MOSFET的优异性能，这款PIM模块也能实现小型化。

通过采用SiC MOSFET替代硅基IGBT，这款PIM模块的整体电路拓扑更为简单，模块体积减少约57％，同时热导率比硅基PIM封装提高30％。

据悉，这款PIM模块能够满足车规级AQG324可靠性要求，其主要应用包括新能源汽车、充电桩、储能等新兴领域，公司自主研发的电源模块功率达到120KW以上，输出电压高达1050V，输出电流最高达到350A。

万年芯十项创新

大幅提升PIM可靠性

更为重要的是，万年芯针对这款碳化硅PIM研发了10项技术创新，从而使得该模块在业内具有更高的性价比、更稳定的产品质量，也使得逆变器、伺服驱动等最终设计的效率、功率密集和可靠性得到大幅提升，实现了更好的成本效益。

万年芯负责人表示，在设计和研发这款碳化硅PIM模块的过程中，研发团队进行了非常多的新工艺尝试和研究，从而获得了十项技术创新，目前陆续将这款碳化硅PIM模块的知识产权申请国内专利，预计有5～10个发明专利，10个实用新型专利。

首先，在提升模块可靠性方面，万年芯着手研发，做了大量的创新工作，例如：开发了模块专用新框架；通过散热器中多种锁定结构的集成创新设计，加强模块整体强度和结合，有效解决了业界模块易发裂纹的难点；并且研发了新型AMB基板，有效提升了塑封体内各界面之间的结合，达到了更强的粘结和可靠性；同时，在PIM模块封装后道实现了干式封装，去除了传统的浸水封装工艺。

其次，在提升PIM模块生产效率和降低成本方面，万年芯也有新的技术突破，例如，通过设计新型合片载具，将模块内专用框架、AMB基板、多规格焊片、散热器实现一次性合片，不仅提高了合片生产效率，而且提升了真空回流的产能；并且通过AMB基板布线的创新优化设计，将AMB基板面积减少了10%，不仅降低了封装成本中占比最大的基板成本，而且也同步减少了焊料耗用及成本。

第三，在热设计和信号传输方面，万年芯则是通过基板上芯片布局和配线优化，更有利于散热和热平衡、信号一致性等。为了实现PIM模块更好的散热效果，万年芯还为模块选用了更好的封装材料技术，例如，高性能AMB厚铜基板、高导热的有压烧结银、高可靠性焊片及甲酸真空回流工艺等。

• 一方面，现在SiC MOSFET模块的最高耐受结温普遍都在175℃，不久将会普及到200℃，因而，要求各类连接的熔点必需超过300℃，最好达到400℃以上，现有的键合技术、热界面材料无法在此高温下可靠工作。

为此，万年芯的PIM模块采用了烧结银材料技术，由于烧结银的热阻要比传统焊料低得多，因而能降低SiC MOSFET器件和整体模块热阻，同时由于银的熔点较高，整个设计的热裕度也提高了。根据比亚迪的说法，SiC MOSFET采用双面银烧结，连接层导热率最大可提升10倍，可靠性可提升5倍以上，SiC模块工作结温可提升至175℃。

• 另一方面，得益于SiC MOSFET技术，近年来PIM模块能够实现更好的小型化和轻量化设计，但与此同时，功率模块的芯片电流密度增加，因此需要提高模块的散热，而且车规级功率器件的工作电压越来越高，因此对基板材料的散热和绝缘性能提出了更高的要求。

为了满足上述要求，万年芯在PIM模块中引入了AMB（活性金属钎焊）工艺的陶瓷基板，承受高压可高达2500V，而且在保持绝缘性能的同时实现了高导热性，与传统的DBC工艺基板相比，AMB基板的热导率提高了大约50%。

另外，考虑到新能源电动车电机控制器等应用场景的功率等级较高，其对PIM模块的散热要求也不断提高，为了进一步提升整体模块的热传导性能，万年芯引入了Pin‑Fin结构的水冷铜针座散热器，从而可以获得更大的散热面积，有效保证PIM模块的安全运行。与此同时，Pin‑Fin针座散热器，在有限的空间内获取理想的散热效果，其体积小、重量轻的优势也非常能够满足逆变器、伺服控制器等轻便化设计发展趋势。

• 更好的过温保护措施。

PIM模块运行中的一个重要保护参数是工作结温，尤其是车规级模块的承载电流可高达600A，直流母线电压可高达800V，通常SiC MOSFET的热失效问题会对可靠性造成严峻考验，因此结温准确监控是实现可靠性评估的重要基础。为此在该模块的内部，万年芯封装了一个温度传感器（热敏电阻），通过采样该温度来实现PIM模块的过温保护，可在SiC MOSFET工作温度上升至高温阈值以上时，禁用SiC MOSFET栅极驱动器，从而提供热关断，避免PIM模块过热。

不过，由于内置的热敏电阻（NTC）芯片并不是安装在SiC MOSFET芯片表面，常规的NTC固定方式和测量并不能准确反映芯片的温度。对此，万年芯还研发了一种热敏电阻新型固定方法，从而能够更好地监控模块工作温度。

这次碳化硅PIM模块的推出，是万年芯功率模块研发的一个新里程碑，他们有信心得到行业客户的广泛认可。未来他们还将对PIM进行了产品系列化升级，在方便客户选型的同时满足绝大部分应用需求，帮助汽车、充电桩、工业变频、伺服驱动、商用空调等领域客户实现更好的成本效益。