和硅的半导体功率器件相比，宽禁带器件有高的工作电压、功率密度和高频应用等特性。它正好和宇航应用的大功率、高电压的方向是完全吻合的。
【分享主题】碳化硅主题报告（四） 宽禁带器件的宇航应用技术探讨
【分享时间】4月14日（周二）15：00-16：00
【分享嘉宾】万成安 北京卫星制造厂有限公司研究员
▌以下为整理的分享内容（略有删减）。
各位专家各位同行下午好，我是来自航天五院北京卫星制造厂的万成安。很高兴参加第三代半导体联盟举办的在线交流活动。我的交流题目是宽禁带功率器件的宇航应用探讨。
主要是有4个方面的内容，重点是空间环境的适应性和宇航应用的分析。
和硅的半导体功率器件相比，宽禁带器件有高的工作电压、功率密度和高频应用等特性。这在行业里面已有非常明确的共识。它正好和宇航应用的大功率、高电压的方向是完全吻合的。本报告重点是讨论宇航应用的相关问题。
首先我们追溯到20世纪，当时挪威的科学家斯托默通过观测分析高纬度地区的极光，从理论上证明了地球周围存在一个带电粒子的捕获区，这些带电粒子主要包含电子和质子。从1958年开始，在前苏联连续发射了两颗卫星以后，美国也陆续发射了多颗探险者卫星，美国科学家范艾伦通过多颗卫星的数据比较和分析，证实了斯托默的理论，并将这些带电粒子的聚集区称为地球的辐射带。后来也称为范艾伦辐射带。它的主题思想就是以距地球表面大概两个地球半径的上空为界，分为内辐射带和外辐射带。内辐射带相对稳定，主要分布一些低轨和中轨道的卫星；而外辐射带则随太阳、行星和地球地磁层的活动而处于重复的动态变化中。这张照片里面穿西服的人就是著名的科学家范艾伦。在发现地球辐射带这个现象以后，他的助手非常兴奋，在范艾伦房间的门上写了一句“太空是放射性的”名言，同时也开创了人类历史上一门新的学科“空间物理学”。
关于空间环境的研究，各国的科学家开展了很多的工作，这是NASA从1991年到2000年10年期间，把太阳耀斑活动和地球的同步轨道通讯卫星的伪指令故障做了一个比较分析，从这张图可以看出红色对应太阳耀斑活动比较强烈的地方，黄颜色这个区域属于中等的强度，绿颜色是相对比较平稳的区域。这里面可以看出，在卫星发生伪指令故障的时间，它和红色和黄色的区域有一个非常密切的对应关系，进一步的说明空间环境和航天器的故障相关性。
通过多年的研究发现，空间环境与宽禁带器件的相关性主要体现在两个方面，一个是它电离总剂量效应，第二个就是它的单粒子效应。这两个效应对应的指标决定了功率器件在空间的使用寿命。
除了空间环境以外，气压的变化也对航天器有很大的影响。航天器发射以后，从地面到在轨运行，它要经历常压、低气压和真空的环境。右边的图是著名的Pashen曲线，它是采用平行板均匀电场的实验证明了气体间隙的耐压和气压与间隙乘积的对应关系，在低气压条件下气体间隙的击穿电压会大幅度的下降，在真空度提高以后，它的耐电压击穿的能力又有一个提高的过程。
此外，还有宽的温度范围，包括循环的温度环境，散热方式的变化，包括长寿命和不可维修性，实际上都是空间环境的一些特点。在真空条件下电源系统的散热方式和地面还是有很大的差别。这里面我们也是特别关注功率基板及相关电路的可靠性，前面听到天津大学梅云辉教授关于功率器件抗温度冲击、功率循环和老化的一些关键问题的研究工作，采用纳米银材料可有效提升功率电路耐温度循环冲击的能力。这些工作对功率电路的寿命、可靠性有很大的影响。
在宇航应用方面，首先回顾一下硅功率器件的应用历程，最早在宇航电源中也是采用开关电源的功率变换方式，早期采用的功率器件是硅双极型晶极管，这种晶体管在开关电源中工作频率大概是（10-20）kHz，频率比较低，电源的体积重量是比较大。这种F型封装的晶体管，采用的是一个全密封的封装的结构。从双极型器件开始逐渐过渡到以功率MOS为功率器件的发展的过程。功率MOS器件有插装和表面贴装两种封装形式，插装器件的热阻大约是在1℃/W左右。
在插装器件的基础上，为了进一步的减小体积和提高它的可靠性，就有了SMD表面贴装的陶瓷封装形式，这种陶瓷封装的热阻可以进一步的降低，另外它在绝缘能力、导热能力也都更加适合宇航的应用。
从这张表里面可以看出，不同封装的相同点是都采用了全密封的封装结构，但是表面贴装和插装的寄生参数差别还是比较大的，贴装器件的寄生参数明显是低于插装器件，在电源系统工作频率比较高的时候，寄生参数对电源性能的影响，包括电路板的布局、电路局部的震荡等，尤其是宽禁带器件，如氮化镓开关频率到1MHz以上，这些寄生参数的影响更大。
我们再进一步看看器件内部的结构情况。上面这个图是表贴封装的结构，采用陶瓷壳体，薄的金属盖板，芯片通过烧结与壳体形成低热阻通道，为了材料之间的相容性，各种材料的热膨胀系数选择在4-6之间。在长寿命使用过程中，器件不管是性能、密封性还是可靠性等方面，都能得到保证。
下面插装结构是采用可伐引脚，它的绝缘子一般是使用陶瓷绝缘子，这样可以保证它的绝缘及密封性能，这种宇航用功率器件产品，芯片的尺寸要比相同功率的工业级器件至少大到三倍以上，重点是考虑空间环境适应性、有较大的功率裕度。它的安全工作区范围更宽。另外是进一步减少它的热阻等等。实际上用于宇航封装的结构和芯片和工业应用上有较大的差异。
宽禁带器件在宇航应用之一是电机的驱动，第二个方向是高效的能量变换。第三是高电压电源系统，尤其是近些年大功率电推进技术的应用，包括未来的空间太阳能电站等，高电压是一个非常明确的应用方向，还有就是无线通信和无线能量传输等。
针对宽禁带功率器件的应用，这里针对一个案例进行进一步的分析。有两张图片是日本宇航局发布的月球车概念图。其主题思想就是日本宇航局JAXA和丰田公司进行合作，计划大概在2029年要发射月球车，它最大的行驶里程可以到1万公里，宇航员可以采用手动和无人的自主驾驶模式。我们更关心的就是它的能源系统，它主要是采用光伏的太阳能电池，加上可再生燃料电池形成一个复合的能源系统，采用碳化硅构建它的功率驱动的单元。
再追溯到早些年在厦门举办的宽禁带半导体研讨会上，当时丰田的专家介绍了碳化硅在新能源汽车上的应用情况，当时丰田专家非常坚定的提出碳化硅在新能源汽车上的应用，也是世界上最早一直持续的开展宽禁带器件应用的厂家之一。其重点主要是碳化硅MOS管和二极管的应用。尤其是在新能源汽车上，在整个的电源系统里面，采用高电压的碳化硅和在低压的氮化镓器件，他们持续做了很多的研究工作。
这里面有两个典型的功率单元，首先就是全碳化硅的功率控制单元，也叫PCU。这是丰田普瑞斯车的一个全碳化硅的PCU。经过多次的改进，采用以碳化硅的功率变换单元再加上机电热的集成设计和数字化控制，达到高效的功率电控制单元。该PCU和宇航上用的PCU有一定的相同的地方，都是提供一个高效的、大功率的功率控制单元。
这是在丰田燃料电池车能源系统的情况。左上角是燃料电池的电堆，丰田开发得非常早。通过不断改进，电堆的性能得到很大的提高，特别是采用三维立体的流场结构，通过氢气和空气中的氧气反应生成水和发电，其最大的优势就是没有二氧化碳的排放。从早期的产品到现在从体积、重量、包括效率都改善了很多。右边是功率驱动单元，把电堆发电从低电压升压成大概650伏左右的一个升压变换器单元。通过分析可以看出，采用碳化硅器件的开关损耗可以做得更小，整个的效率得到较大的提升。右边是功率集成和控制单元的内部结构图。
和JAXA合作以后，其重点在空间环境适应性方面开展工作，如碳化硅的二极管，在高电压情况下，开展单粒子评价的实验，在单粒子条件下漏电流明显的增加，另外击穿电压大概下降到50%甚至更多，对宇航应用有很大的限制，尤其是高电压二极管。耐压1000伏的器件，做完实验后大概只有300伏左右。这个结果和宇航应用还是有比较大的差距，需要进一步的开展工作。
这张表主要是对不同的材料如碳化硅、砷化镓和氮化钾器件进行一些关键性能和参数的比较。主要参数有禁带宽度，内部电场强度、电子漂移率和热传导能力等，针对单粒子击穿的机理，重点考虑里面的一些关键问题，主要是材料，内部的电场强度，还有器件的结构等，需要开展进一步的研究工作。在商业级的氮化镓方面行业内也做了一些评价实验，其评估结果是工业级的氮化镓器件，如果不进行加固设计，是不具备抗单粒子的能力的，所以不管是碳化硅还是氮化镓器件都需要开展更深入的研究工作。
从这个案例可以看出，目前相对成熟的像丰田地面应用的新能源汽车或者燃料电池汽车在过渡到空间应用的月球车，可以在地面应用成熟技术的基础上重点开展空间环境适应性的研究，如地面用氢空燃料电池，宇航应用则采用氢氧燃料电池的结构方式；另外就是解决宽禁带器件空间环境适应性的问题；再就是散热方式的变化，地面可以采用水循环散热，在空间考虑到不可维修性，需要进一步减少活动部件，需要采用被动散热可能更好一些。第四就是在空间的工程化、封装、可靠性等方面要进一步的提升。
在宽禁带器件宇航应用方面，我们前期也做了一些工作，重点从三个层面，一个是芯片级，第二是单机级，第三是系统级。在芯片级主要是基于宽禁带器件，做成高密度功率模块，结合三维立体封装等技术，解决器件高功率密度封装、电磁兼容和热传导等问题，实现一个高度集成的目标。在单机级主要是重点解决机电设计的一些问题，在系统级重点是解决应用验证等相关问题。
宇航应用要开展的工作主要分成三个大的方面，首先是器件的结构设计。从功率器件的发展过程可以看出，从硅的双极型的功率器件和功率MOS管，再到宽禁带器件，器件的结构还是发生了比较大的变化。如果把硅功率器件的空间环境适应性技术直接应用到宽禁带器件，还是存在较大的差异，重点是要在耐辐射特性技术方面开展研究工作。第二个就是在高可靠封装方面，实际上刚才前面也介绍了，重点要解决高电压、高功率密度条件下的焊料、绝缘和封装形式等问题。另外还需要考虑低压条件下，耐击穿能力下降的问题，所以在封装的时候，尤其是在高电压方面，这个也是要重点关注的一个问题。第三个方面就是在应用验证方面，重点是电路拓扑的技术、机电集成技术等。在电路拓扑方面，前期南航张教授介绍了多输出电源，1MHz氮化镓功率变换的一个研制成果，采用磁集成技术、有源箝位等技术，这些技术在宇航应用方面有很大的应用空间，把器件和电路的潜能充分的发挥出来。另外就是开展机、电、热的集成设计，包括评价与验证等技术。下面这几个图片是我们在做的一些功率器件和模块的一些样机的情况，我们也持续地开展这方面的研究工作。
在报告结束前简单介绍一下我们宇航电源的研制情况。目前主要是在宇航电源的功率变换、配电和能源系统等方面开展研究工作。我们是国内最早从事宇航电源的研制的专业单位，有完善的宇航电源的生产线、电子封装生产线和全套的实验检测中心。这也是为宇航宽禁带功率器件的研究奠定了一个比较良好的基础。目前也主要是从三个层面开展工作，一是片上的电源系统，第二就是智能配电以及高效的功率变换系统。第三是以光伏和燃料电池构成了一个复合的能源系统，这几个方面在开展应用研究工作。下面图片场景是我们宇航电源生产线和封装生产线和实验检测中心的相关情况。
最后对报告进行简单的总结，首先国内在碳化硅、氮化镓的器件研发方面，这几年已经取得了比较大的进展。我们也收到一些厂家提供的宽禁带器件样品并开展应用验证工作。目前国内企业重点在主要在电源适配器、无线能量传输等方面开展较多的工作。但现有的工业级宽禁带器件，在宇航应用方面深入程度不够，在空间环境的适应性、封装设计及高可靠等方面考虑较少，希望更多的关注宇航应用的一些需求。第二就是在2018年，美国Intersil公司发布了第1款100伏宇航级氮化镓功率器件的产品，相应的指标还是比较全面的。但是到目前为止，现在碳化硅的宇航级的功率器件产品还没有任何的厂家发布，我们也希望能跟国内的器件厂家能更多的合作，把碳化硅的功率器件，尤其是这种高电压的功率器件，能尽快的在宇航得到应用。第三以丰田新能源汽车为例，通过多年持续深入的研究，以及宇航部门的一个密切合作，这样可以快速提升宽禁带器件的应用水平。第四方面就是在国内第三代半导体行业快速发展的大背景下，我们愿意与同行共同的合作，尽快实现我国宽禁带功率器件的宇航应用。
我的报告就做到这，谢谢各位。
更多精彩内容，敬请关注：微信公众号 casazlkj