需求名称

用于高压开关电源设备的高性能SiC MOSFET新产品研发

单位信息

单位名称：陕西亚成微电子股份有限公司

所属行业：制造业

技术领域：电子信息

技术创新需求情况说明

需求内容

1.需求解决的技术问题

高压开关是飞机、新能源汽车以及其他交通和工业动力系统、辅助电源系统中不可或缺的电源设备。其中，飞机动力系统常采用270V、540V直流电源配电，新能源车中常采用450V、800V动力电源开关。目前，这些电源系统中的传统机械继电器正逐步被以IGBT为代表的固体继电器取代。因固态继电器没有任何可动的机械零件，具有反应快、可靠度高、寿命长、无动作噪声、耐震、耐机械冲击、具有良好的防潮防霉防腐的特性，使其在军事、化工、和各种工业民用电控设备中均有广泛应用。固态继电器的控制信号所需的功率极低，因此可以用弱信号控制强电流。

IGBT作为高压开关，具有耐压高的优点，但是其导通压降过大，造成其通态损耗过高；而Si SJ MOSFET可以实现较低的导通电阻，降低通态损耗，但其只使用于650～1200V电压，无法提供更高的耐压。

而SiC MOSFET技术被认为是Si IGBT与Si SJ MOSFET理想的替代品，可以实现650V、1200V、1700V耐压，同时具有更低的导通电阻和开关损耗，可以使电源转换单元显著减小尺寸和重量，降低整体系统成本，非常适用于工业电源应用，具有过载和电压反转的鲁棒性和优异的抗高dv / dt能力，并且无需额外的冷却措施，展现出优异的性能，具有广阔的市场前景。

2.技术需求提出背景及技术应用领域

功率半导体器件作为电力电子系统控制转换的核心器件在节能减排、能耗控制、提高能量利用效率方面发挥着关键作用。主流硅基器件由于以接近其物理极限，在高压、高能量转换效率、高功率密度等方面逐渐无法满足应用需求。作为第三代半导体材料的SiC材料，因其不同于Si的材料特性，可以使电力电子设备在工作环境、体积重量和能耗等方面等表现得到巨大提升：

①SiC的宽的禁带宽度，使其在高温条件下的本征载流子浓度远低于Si，理论上，其工作温度可达1000°C以上；此外SiC具有4倍于Si的热导率，使其具有优异的散热性能，提高器件高温条件下的稳定性；

②SiC的临界电场强度约为Si的10倍，因此SiC器件耐压特性远高于Si，在高压领域具有巨大优势。

③SiC的电子饱和迁移速度为Si的2倍，SiC器件耗尽区的载流子可以被快速扫出，使其可以实现更高的开关频率和更低的开关损耗，减小电感等无源元器件的体积与整机体积。

④在相同电压条件下，SiC可以实现更低的导通电阻，降低功率损耗、提升效率；更薄的漂移区使工艺难度和成本显著降低。

因功率MOSFET 具有栅极驱动电路简单、工作频率高、功率 密度大、转换效率高等优点被广泛应用于各种电力电子系统。由于Si自身材料特性的限制，Si MOSFET更适用于650V及以下的应用，更高的耐压会令其导通电阻增大，使系统的导通损耗增大，转换效率和稳定性下降，同时需要更为复杂的冷却散热系统；SiC MOSFET由于低导通电阻、高输入阻抗、高开关速度等优势，使其更适用于650V到4500 V阻断电压。

目前，SiC MOSFET已应用于大功率电源系统、新能汽车、电机驱动、光伏逆变等领域：

新能源车领域，SiC功率MOSFET被广泛应用于车载充电系统（On-board charger，OBC）、车载DC/DC、非车载充电桩等系统中，碳化硅模块可以使整车具有更低等能耗和更小的尺寸，目前各大车企均开始采用碳化硅器件，同时随着碳化硅功率器件的生产成本进一步降低，功率Si MOSFET在充电桩领域的应用也将逐渐被SiC MOSFET所取代。

光伏逆变器中，SiC MOSFET功率器件替代Si MOSFET器件，可以能量转换效率提高50%以上，同时设备使用寿命得到提升，使能效和成本进一步得到改善。

轨道交通与工业应用中，电机驱动系统中SiC MOSFET的应用渗透也是系统效能得到显著提升。

3.技术难点

①基于的氮退火工艺的高沟道载流子迁移率技术；

②用于提高阈值电压稳定性的高可靠性栅氧化层工艺；

③稳定、高效的场限环终端结构设计；

4.主要技术经济指标

①漏源击穿电压 1200V；

②导通电阻 17mΩ

③阈值电压 2.8V

    ④最大漏源电 120A；

现有基础

1.开展的工作

本项目需开展用于高压开关电源设备的高性能SiC MOSFET的元胞工艺设计与仿真、优化氮退火工艺以高沟道载流子迁移率、研究用于提高阈值电压稳定性的高可靠性栅氧化层工艺，内容包括1200V SiCMOSFET工艺仿真设计、场限环终端结构设计、器件版图设计、流片、封装测试及最终量产。

2.所处阶段

本项目所处阶段为预研阶段

3.投入资金和人才

公司每年用于研发的经费投入大约占销售额的14%左右。项目投入资金均为自筹资金。亚成微重视技术创新和技术研发，自成立便组建了研发中心，拥有一支以专家、教授为核心，博士、硕士以及资深工程师组成的90余人高技术水平研发梯队，并且聘请科研院所专家、高校教授为技术顾问。

4.仪器设备

公司现用于科研生产/试验的仪器设备总计300余台/套，总价值约2210 万元，其中 100 万以上设备 7 台套，价值 981.6 万元。设备主要包括热机，冷机，金铜线机，铝线机，包封机，切金系统，测编机，等离子清洗设备，激光打标机，半自动高侧电源开关测试机，高低温测试设备，高低温循环测试设备，高温老练设备，编带机等测试生产设备，主要包含的封装工序从晶圆的划片、粘片，固晶到焊线，注塑，固化，打标，切筋，成型，测试，筛选，终测，包装等。

5.生产条件

    公司于2020年开始筹备厂房建设项目，投资金额达1.5亿元，于2022年6月，建成5300㎡厂房，用于生产线及研发地基建设。现已建成封测老化筛选自主可控产线1条，产线包括上芯车间、固晶车间、打线车间、注塑车间、高低温和老化测试车间、电性能测试车间以及品质分析实验室等。

产学研合作要求

合作对象倾向

本公司希望与电子工程类高校及微电子或半导体技术研究所：他们在微电子和半导体领域有深厚的学术积累和研发实力，专注于通信技术的研发和应用，对于射频技术在通信领域的应用有深入的理解和实践经验，可以为高性能SiC MOSFET新产品研发提供宝贵的技术支持和合作机会。

对于专家及团队所属领域和水平的要求如下：

①具备相关领域的深入理论知识和实践经验：专家和团队应具备电子工程、微电子、半导体和通信技术的深入理论知识和实践经验，能够理解和解决高性能SiC MOSFET新产品研发过程中的各种技术难题。

②具备跨学科的合作能力：产品的研发过程中，专家和团队应具备跨学科的合作能力和开放思维，能够将不同领域的知识进行有效的整合和应用。

③具备创新意识和能力：专家和团队应具备创新意识和能力，能够独立思考和解决问题，推动高性能SiC MOSFET新产品研发技术的不断发展。

    ④有成功合作案例和经验：专家和团队应具备成功的产学研合作案例和经验，能够为高性能SiC MOSFET新产品研发提供有效的指导和支持，推动产学研合作的顺利进行。

合作方式

□技术转让    □技术入股   ■联合开发   □委托研发

□委托团队、专家长期技术服务    □共建新研发、生产实体