和硅的半導體功率器件相比，寬禁帶器件有高的工作電壓、功率密度和高頻應用等特性。它正好和宇航應用的大功率、高電壓的方向是完全吻合的。
【分享主題】碳化硅主題報告（四） 寬禁帶器件的宇航應用技術探討
【分享時間】4月14日（週二）15：00-16：00
【分享嘉賓】萬成安 北京衛星製造廠有限公司研究員
▌以下為整理的分享內容（略有刪減）。
各位專家各位同行下午好，我是來自航天五院北京衛星製造廠的萬成安。很高興參加第三代半導體聯盟舉辦的在線交流活動。我的交流題目是寬禁帶功率器件的宇航應用探討。
主要是有4個方面的內容，重點是空間環境的適應性和宇航應用的分析。
和硅的半導體功率器件相比，寬禁帶器件有高的工作電壓、功率密度和高頻應用等特性。這在行業裡面已有非常明確的共識。它正好和宇航應用的大功率、高電壓的方向是完全吻合的。本報告重點是討論宇航應用的相關問題。
首先我們追溯到20世紀，當時挪威的科學家斯托默通過觀測分析高緯度地區的極光，從理論上證明了地球周圍存在一個帶電粒子的捕獲區，這些帶電粒子主要包含電子和質子。從1958年開始，在前蘇聯連續發射了兩顆衛星以後，美國也陸續發射了多顆探險者衛星，美國科學家範艾倫通過多顆衛星的數據比較和分析，證實了斯托默的理論，並將這些帶電粒子的聚集區稱為地球的輻射帶。後來也稱為範艾倫輻射帶。它的主題思想就是以距地球表面大概兩個地球半徑的上空為界，分為內輻射帶和外輻射帶。內輻射帶相對穩定，主要分佈一些低軌和中軌道的衛星；而外輻射帶則隨太陽、行星和地球地磁層的活動而處於重複的動態變化中。這張照片裡面穿西服的人就是著名的科學家範艾倫。在發現地球輻射帶這個現象以後，他的助手非常興奮，在範艾倫房間的門上寫了一句“太空是放射性的”名言，同時也開創了人類歷史上一門新的學科“空間物理學”。
關於空間環境的研究，各國的科學家開展了很多的工作，這是NASA從1991年到2000年10年期間，把太陽耀斑活動和地球的同步軌道通訊衛星的偽指令故障做了一個比較分析，從這張圖可以看出紅色對應太陽耀斑活動比較強烈的地方，黃顏色這個區域屬於中等的強度，綠顏色是相對比較平穩的區域。這裡面可以看出，在衛星發生偽指令故障的時間，它和紅色和黃色的區域有一個非常密切的對應關係，進一步的說明空間環境和航天器的故障相關性。
通過多年的研究發現，空間環境與寬禁帶器件的相關性主要體現在兩個方面，一個是它電離總劑量效應，第二個就是它的單粒子效應。這兩個效應對應的指標決定了功率器件在空間的使用壽命。
除了空間環境以外，氣壓的變化也對航天器有很大的影響。航天器發射以後，從地面到在軌運行，它要經歷常壓、低氣壓和真空的環境。右邊的圖是著名的Pashen曲線，它是採用平行板均勻電場的實驗證明了氣體間隙的耐壓和氣壓與間隙乘積的對應關係，在低氣壓條件下氣體間隙的擊穿電壓會大幅度的下降，在真空度提高以後，它的耐電壓擊穿的能力又有一個提高的過程。
此外，還有寬的溫度範圍，包括循環的溫度環境，散熱方式的變化，包括長壽命和不可維修性，實際上都是空間環境的一些特點。在真空條件下電源系統的散熱方式和地面還是有很大的差別。這裡面我們也是特別關注功率基板及相關電路的可靠性，前面聽到天津大學梅雲輝教授關於功率器件抗溫度衝擊、功率循環和老化的一些關鍵問題的研究工作，採用納米銀材料可有效提升功率電路耐溫度循環衝擊的能力。這些工作對功率電路的壽命、可靠性有很大的影響。
在宇航應用方面，首先回顧一下硅功率器件的應用歷程，最早在宇航電源中也是採用開關電源的功率變換方式，早期採用的功率器件是硅雙極型晶極管，這種晶體管在開關電源中工作頻率大概是（10-20）kHz，頻率比較低，電源的體積重量是比較大。這種F型封裝的晶體管，採用的是一個全密封的封裝的結構。從雙極型器件開始逐漸過渡到以功率MOS為功率器件的發展的過程。功率MOS器件有插裝和表面貼裝兩種封裝形式，插裝器件的熱阻大約是在1℃/W左右。
在插裝器件的基礎上，為了進一步的減小體積和提高它的可靠性，就有了SMD表面貼裝的陶瓷封裝形式，這種陶瓷封裝的熱阻可以進一步的降低，另外它在絕緣能力、導熱能力也都更加適合宇航的應用。
從這張表裡面可以看出，不同封裝的相同點是都採用了全密封的封裝結構，但是表面貼裝和插裝的寄生參數差別還是比較大的，貼裝器件的寄生參數明顯是低於插裝器件，在電源系統工作頻率比較高的時候，寄生參數對電源性能的影響，包括電路板的佈局、電路局部的震盪等，尤其是寬禁帶器件，如氮化鎵開關頻率到1MHz以上，這些寄生參數的影響更大。
我們再進一步看看器件內部的結構情況。上面這個圖是表貼封裝的結構，採用陶瓷殼體，薄的金屬蓋板，芯片通過燒結與殼體形成低熱阻通道，為了材料之間的相容性，各種材料的熱膨脹係數選擇在4-6之間。在長壽命使用過程中，器件不管是性能、密封性還是可靠性等方面，都能得到保證。
下面插裝結構是採用可伐引腳，它的絕緣子一般是使用陶瓷絕緣子，這樣可以保證它的絕緣及密封性能，這種宇航用功率器件產品，芯片的尺寸要比相同功率的工業級器件至少大到三倍以上，重點是考慮空間環境適應性、有較大的功率裕度。它的安全工作區範圍更寬。另外是進一步減少它的熱阻等等。實際上用於宇航封裝的結構和芯片和工業應用上有較大的差異。
寬禁帶器件在宇航應用之一是電機的驅動，第二個方向是高效的能量變換。第三是高電壓電源系統，尤其是近些年大功率電推進技術的應用，包括未來的空間太陽能電站等，高電壓是一個非常明確的應用方向，還有就是無線通信和無線能量傳輸等。
針對寬禁帶功率器件的應用，這裡針對一個案例進行進一步的分析。有兩張圖片是日本宇航局發佈的月球車概念圖。其主題思想就是日本宇航局JAXA和豐田公司進行合作，計劃大概在2029年要發射月球車，它最大的行駛里程可以到1萬公里，宇航員可以採用手動和無人的自主駕駛模式。我們更關心的就是它的能源系統，它主要是採用光伏的太陽能電池，加上可再生燃料電池形成一個複合的能源系統，採用碳化硅構建它的功率驅動的單元。
再追溯到早些年在廈門舉辦的寬禁帶半導體研討會上，當時豐田的專家介紹了碳化硅在新能源汽車上的應用情況，當時豐田專家非常堅定的提出碳化硅在新能源汽車上的應用，也是世界上最早一直持續的開展寬禁帶器件應用的廠家之一。其重點主要是碳化硅MOS管和二極管的應用。尤其是在新能源汽車上，在整個的電源系統裡面，採用高電壓的碳化硅和在低壓的氮化鎵器件，他們持續做了很多的研究工作。
這裡面有兩個典型的功率單元，首先就是全碳化硅的功率控制單元，也叫PCU。這是豐田普瑞斯車的一個全碳化硅的PCU。經過多次的改進，採用以碳化硅的功率變換單元再加上機電熱的集成設計和數字化控制，達到高效的功率電控制單元。該PCU和宇航上用的PCU有一定的相同的地方，都是提供一個高效的、大功率的功率控制單元。
這是在豐田燃料電池車能源系統的情況。左上角是燃料電池的電堆，豐田開發得非常早。通過不斷改進，電堆的性能得到很大的提高，特別是採用三維立體的流場結構，通過氫氣和空氣中的氧氣反應生成水和發電，其最大的優勢就是沒有二氧化碳的排放。從早期的產品到現在從體積、重量、包括效率都改善了很多。右邊是功率驅動單元，把電堆發電從低電壓升壓成大概650伏左右的一個升壓變換器單元。通過分析可以看出，採用碳化硅器件的開關損耗可以做得更小，整個的效率得到較大的提升。右邊是功率集成和控制單元的內部結構圖。
和JAXA合作以後，其重點在空間環境適應性方面開展工作，如碳化硅的二極管，在高電壓情況下，開展單粒子評價的實驗，在單粒子條件下漏電流明顯的增加，另外擊穿電壓大概下降到50%甚至更多，對宇航應用有很大的限制，尤其是高電壓二極管。耐壓1000伏的器件，做完實驗後大概只有300伏左右。這個結果和宇航應用還是有比較大的差距，需要進一步的開展工作。
這張表主要是對不同的材料如碳化硅、砷化鎵和氮化鉀器件進行一些關鍵性能和參數的比較。主要參數有禁帶寬度，內部電場強度、電子漂移率和熱傳導能力等，針對單粒子擊穿的機理，重點考慮裡面的一些關鍵問題，主要是材料，內部的電場強度，還有器件的結構等，需要開展進一步的研究工作。在商業級的氮化鎵方面行業內也做了一些評價實驗，其評估結果是工業級的氮化鎵器件，如果不進行加固設計，是不具備抗單粒子的能力的，所以不管是碳化硅還是氮化鎵器件都需要開展更深入的研究工作。
從這個案例可以看出，目前相對成熟的像豐田地面應用的新能源汽車或者燃料電池汽車在過渡到空間應用的月球車，可以在地面應用成熟技術的基礎上重點開展空間環境適應性的研究，如地面用氫空燃料電池，宇航應用則採用氫氧燃料電池的結構方式；另外就是解決寬禁帶器件空間環境適應性的問題；再就是散熱方式的變化，地面可以採用水循環散熱，在空間考慮到不可維修性，需要進一步減少活動部件，需要採用被動散熱可能更好一些。第四就是在空間的工程化、封裝、可靠性等方面要進一步的提升。
在寬禁帶器件宇航應用方面，我們前期也做了一些工作，重點從三個層面，一個是芯片級，第二是單機級，第三是系統級。在芯片級主要是基於寬禁帶器件，做成高密度功率模塊，結合三維立體封裝等技術，解決器件高功率密度封裝、電磁兼容和熱傳導等問題，實現一個高度集成的目標。在單機級主要是重點解決機電設計的一些問題，在系統級重點是解決應用驗證等相關問題。
宇航應用要開展的工作主要分成三個大的方面，首先是器件的結構設計。從功率器件的發展過程可以看出，從硅的雙極型的功率器件和功率MOS管，再到寬禁帶器件，器件的結構還是發生了比較大的變化。如果把硅功率器件的空間環境適應性技術直接應用到寬禁帶器件，還是存在較大的差異，重點是要在耐輻射特性技術方面開展研究工作。第二個就是在高可靠封裝方面，實際上剛才前面也介紹了，重點要解決高電壓、高功率密度條件下的焊料、絕緣和封裝形式等問題。另外還需要考慮低壓條件下，耐擊穿能力下降的問題，所以在封裝的時候，尤其是在高電壓方面，這個也是要重點關注的一個問題。第三個方面就是在應用驗證方面，重點是電路拓撲的技術、機電集成技術等。在電路拓撲方面，前期南航張教授介紹了多輸出電源，1MHz氮化鎵功率變換的一個研製成果，採用磁集成技術、有源箝位等技術，這些技術在宇航應用方面有很大的應用空間，把器件和電路的潛能充分的發揮出來。另外就是開展機、電、熱的集成設計，包括評價與驗證等技術。下面這幾個圖片是我們在做的一些功率器件和模塊的一些樣機的情況，我們也持續地開展這方面的研究工作。
在報告結束前簡單介紹一下我們宇航電源的研製情況。目前主要是在宇航電源的功率變換、配電和能源系統等方面開展研究工作。我們是國內最早從事宇航電源的研製的專業單位，有完善的宇航電源的生產線、電子封裝生產線和全套的實驗檢測中心。這也是為宇航寬禁帶功率器件的研究奠定了一個比較良好的基礎。目前也主要是從三個層面開展工作，一是片上的電源系統，第二就是智能配電以及高效的功率變換系統。第三是以光伏和燃料電池構成了一個複合的能源系統，這幾個方面在開展應用研究工作。下面圖片場景是我們宇航電源生產線和封裝生產線和實驗檢測中心的相關情況。
最後對報告進行簡單的總結，首先國內在碳化硅、氮化鎵的器件研發方面，這幾年已經取得了比較大的進展。我們也收到一些廠家提供的寬禁帶器件樣品並開展應用驗證工作。目前國內企業重點在主要在電源適配器、無線能量傳輸等方面開展較多的工作。但現有的工業級寬禁帶器件，在宇航應用方面深入程度不夠，在空間環境的適應性、封裝設計及高可靠等方面考慮較少，希望更多的關注宇航應用的一些需求。第二就是在2018年，美國Intersil公司發佈了第1款100伏宇航級氮化鎵功率器件的產品，相應的指標還是比較全面的。但是到目前為止，現在碳化硅的宇航級的功率器件產品還沒有任何的廠家發佈，我們也希望能跟國內的器件廠家能更多的合作，把碳化硅的功率器件，尤其是這種高電壓的功率器件，能儘快的在宇航得到應用。第三以豐田新能源汽車為例，通過多年持續深入的研究，以及宇航部門的一個密切合作，這樣可以快速提升寬禁帶器件的應用水平。第四方面就是在國內第三代半導體行業快速發展的大背景下，我們願意與同行共同的合作，儘快實現我國寬禁帶功率器件的宇航應用。
我的報告就做到這，謝謝各位。
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