国家重点基础研究发展计划(973)-封装要点

1、国家重点基础研究发展计划（973计划）项目计划任务书项目编号：XXXXXXX项目名称：中华人民共和国科学技术部制2010、 1一、立项依据立项意义全 SiC 电力电子器件（以下简称SiC 器件）在高压、大功率、高温、高频及抗辐照等方面具有巨大的应用潜力， 能够有效提高系统效率、 降低能耗、 减小装置的体积和重量、 提高系统可靠性。 在强烈的需求驱动下， 近年来 SiC 器件正迅猛发展，但与Si 器件相比远未成熟，依然处于探索性发展阶段，大量基础科学问题和技术问题急需攻关。例如：（ 6）高频电磁特性机理、系统集成及优化控制方面，基于全SiC 器件的大容量电力电子装置具有高压、高频的基本电气特性。

2、这类全 SiC 装置随着器件和系统工作频率的提高， 在实际应用时在系统的 趋肤效应 、辐射效应、电磁场耦合、电磁兼容性、杂散参数分布特性等问题上，较之传统硅基开关器件有着本质的区别。 高压、 高频环境下， 能量在传递过程中存在着磁场耦合、电场耦合以及电磁场耦合。故需对SiC 装置高频杂散参数分布机理、暂稳态特性建模研究， 高频电磁耦合机理及电磁兼容优化规律、 系统拓扑及优化等方面进行研究。由于 Si 和 SiC 器件的特征参数、动静态参数有差异，且驱动和保护单元的信号完整性随频率、 温度等因素变化的机理和规律还有待研究， 因此门极驱动及安全保护技术将是SiC 器件实现应用的巨大障碍； SiC

3、功率装置可实现更高功率密度、 更高电压、 更高频率和更高结温运行， 但对系统的结构设计和热设计等集成技术提出了新的要求， 故需重新研究一套适合于 SiC 功率装置的高可靠性的集成技术； SiC 器件通常将工作在高频开关模式，器件开通和关断时必定会产生浪涌电流和电压， 需对不同功率等级、 拓扑的 SiC 功率装置的吸收电路和电路参数展开最优化设计研究。国内外进展情况（吴义伯）2013年德国德累斯顿工业大学 （TUDresden） 开发出 6500V/1000ASiC二极管模块，并研究其振荡特性；日本富士电子于 2013 年开发可工作于200c的全SiC功率模块；2010年，日本AIST通过优化封

4、装工艺和封装结构，开发出可工作在300以上的SiC 功率模块。Sympos现有技术存在问题（吴义伯）功率半导体器件是功率电子系统的核心， 而硅基的功率器件一直以来都占据了功率电子系统的大半江山。 目前， 工业级标准功率模块一般主要包括功率半导体芯片、金属化衬板、基板、母排端子、键合材料、绝缘材料等组成，其中半导体芯片是功率模块的核心结构， 衬板与基板是功率模块的骨骼支撑结构， 而键合引线、 贴片技术等互连工艺则是功率模块的神经脉络。 一般来说， 标准焊接式封装模块包括用铜片涂覆的 DCB 陶瓷衬板（如图1 所示），在衬板上焊接IGBT芯片， 顶部的芯片通过引线键合方式连接或者是直接与端子相连，

5、 其它的芯片都通过软焊膏焊接在衬板上，再将衬板焊接在一个金属基板（ Cu 或 Al-SiC ）上，通过不同的分层设计实现内部电路。 在所有的 IGBT 模块中还包括塑胶封装和覆盖在芯片周围的绝缘硅胶， 以及外部的塑料侧框及管盖。 这种焊接式封装结构采用回流焊接技术和引线键合技术为主导的互连工艺， 目前这种焊接型标准功率模块占整个功率半导体器件领域中所有电力电子模块市场约80%的份额。除此之外， 根据应用范围不同， 各国研究人员在传统封装模式的基础上提出了一些新的封装概念， 并且在材料的选择和制造工艺上不断改进和创新， 如压接式模块、无基板模块、无衬板模块、无键合线模块、无软焊层模块、直接端子键

6、合（ DLB ）模块、转模模块（ TPM ）等等，这些新型封装形式的功率半导体模块也纷纷成为业界各同行研究的热点。但是， 传统功率电子模块主流封装形式是将半导体芯片通过铝线键合、 焊膏焊接等互连方式与DBC 衬板及散热基板相连，辅助端子及功率端子也通过焊膏焊接在衬板上， 并引出到模块外部， 这种传统硅基功率半导体模块封装结构的性能在很多方面都已经接近材料的理论极限， 导致其在实际应用中很难满足电力电子系统对功率开关器件在阻断电压、 通态电流、 工作频率以及高温、 高效等方面的新需求。对于以上这些各种各样的硅基功率半导体模块来说， 模块在系统应用中的长期可靠性受到如器件材料、 封装结构、 制造工

7、艺、 应用环境等诸多因素的影响，其可靠性包含半导体器件以及封装的可靠性两方面， 器件的可靠性包括栅介质可靠性、 过电流和过电压损坏以及静电损坏等， 封装引起的可靠性问题包括芯片键合引线脱落及根部破裂、焊料层蠕变及疲劳失效和绝缘衬底分层等。研究表明，功率电子模块的失效主要是温度变化导致的热应力引起的连接层的机械应变和变形，其中热应力是由材料之间热膨胀系数（ CTE ）不一致产生的。在模块工作及存储过程中， 主动和被动的温度循环及各层之间的温度梯度使不同材料的形变程度不同，连接部分受到不同的应力，引发互连层的疲劳和蠕变。IGBT模块的主要失效机制有键合引线失效、芯片表面金属化重建、焊料疲劳和DCB

8、衬底分层等，如图2所示。因此，寻求具有更高可靠性的新一代功率半导体器件已经成 为世界各国电力电子研发机构的研究热点。图2键合引线（左）和焊层疲劳失效（右）的扫描电镜图模块封装存在的技术问题： 随着SiC器件电流密度增加，芯片集成度提高，模块的发热量大 幅度提高，如何发挥SiC材料热导率高的优势，降低封装结构的热阻, 提高模块散热能力成为重要问题；SiC器件工作频率提高，高dV/dt条件下出现自激振荡，形成明 显的电磁干扰，功率模块中电、磁、热之间有着复杂的相互作用；SiC器件具有更高的耐受温度，提高封装能力发挥其耐受温度高的优势，需要解决芯片形变对芯片焊接、键合强度的影响，解决高温 高压条件下

9、的绝缘问题。二、研究内容（一）拟解决的关键科学问题1、高温工作下的高速开关电磁干扰及电磁耦合机制；碳化硅功率器件具有更低的通态电阻和更小的寄生电容，可以大幅度提高SiC功率器件的电流密度和开关速度。过高的开关速度使得开关 器件存在明显的自激振荡。同时，由于集成度和功率容量的提高，电 磁耦合和电磁辐射导致的电磁兼容性问题也愈加突出。已成为 SiC器 件应用及性能发挥的瓶颈和制约性因素。本项目通过研究电能传输的电磁场、 热场的传输机理与耦合机制，建 立电磁热分析模型，利用电路和网络理论，研究电磁场量与热场量之 间的关系，研究电路中的电磁场-热场的广义网络分析方法，为功率 模块及应用装置的设计奠定理

10、论基础。从器件封装和装置电路设计等角度综合考虑，2、全SiC装置高频电磁特性机理、系统集成及优化控制方法和技术研究基于全SiC器件的大容量电力电子装置具有高压、高频的基本电气特性。这 类全SiC装置随着器件和系统工作频率的提高、在实际应用时在系统的趋肤效 应、辐射效应、电磁场耦合、电磁兼容性、杂散参数分布特性等问题上，较之传 统硅基开关器件有着本质的区别。 高压、高频环境下，能量在传递过程中存在着 磁场耦合、电场耦合以及电磁场耦合。 耦合不仅存在于功率器件之间， 还存在于 功率器件与能量传输载体之间、相邻的传输载体之间、并通过SiC装置在大系统 源-荷之间建立电、磁耦合关系。同时，由于系统功率

11、密度的和结构的模块化程 度的提高，系统的电场分布、磁场分布与系统拓扑结构、 土回路的几何特性和物 理特性等因素相互关联、相互作用、相互制约。这使得在分析系统的电磁兼容性、 杂散参数特性、可靠性、效率等核心指标时，需耍考虑多个相互耦合的因素及其 交叉关联关系。因此,电路和系统中的驱动和保护信号传输在传输过程中相位滞后、趋肤效应、辐射效应等都不能忽略，高频同步开关噪声也会对驱动电源系统 造成扰动，相应的器件与电路的电特性分析与设计需考虑其高频特性，以上的因素将导致产生驱动和保护信号的发射、延时、时序错误、过冲、畸变、用扰、电 磁辐射等电源和信号完整性问题，需提出一套具有高可靠性且集电磁场、 电路理

12、 论、传输线理论、热学为一体的 SiC器件门极驱动及其安全保护设计方法。SiC功率装置通常集成了 SiC器件，驱动控制单元、复合母排及散热器等部件，是一 个集成电力电子技术与材料科学、 控制科学与工程、热处理技术、机械工程与工 艺、动力工程、电磁兼容等多学科边缘交叉渗透的综合性系统，需考虑更加优越 的系统集成技术。由于SiC器件通常将工作在高频开关模式，主电路微小杂散电 感会引起足够大的电压尖峰，导致SiC器件失效，需对SiC功率装置吸收回路的 基本原理、拓扑以及电路参数设计进行研究。因此，全SiC装置在高频、高温、高压环境下，系统的电气设计、结构设计、 热设计与优化应基于电磁场理论、传输线理

13、论、机械设计理论、热理论，以宏观 电力系统视角和微观电力电子变换器视角分别展开研究。如何分析和研究SiC装 置高频电磁耦合特性机理、系统集成、驱动与保护及优化控制是解决高压、高频、 大容量SiC装置在应用层面上的关键科学问题。针对本子课题提出的核心科学问题，研究将从六方面展开，包括：1) SiC装置高频杂散参数分布机理、暂稳态特性建模研究、2) SiC装置高频电磁耦合机理及电磁兼容优化规律：3) 基于SiC的牵引系统拓扑及优化方法：4) SiC器件门极高频驱动及安全保护理论与方法研究；5)高功率密度SiC功率装置的集成技术及方法研究；高频工况下SiC器件吸收回路原理及方法研究。(南车，清华，封

14、装，应用)1. (1)结构设计及仿真方面(唐龙谷) 新型碳化硅功率模块结构的基础理论研究基于多层板理论的模块内部各层材料的力学理论分析SiC功率模块封装需要多层的不同类型材料结构，热膨胀系数( CTB、热导 率、杨氏模量等材料特性的差异，导致 SiC功率器件在高温条件下工作产生较大 的热应力失配。本项目拟采用经典的Timoshenko双层膜理论及弯曲梁变形理论， 分析SiC芯片与焊层、基板材料之间的应力-应变关系。基于三维稳态传热模型的多芯片封装结构热学理论分析针又t SiC功率模块高集成度和高耐受温度的特点，本项目拟采用三维稳态热传递方程构建基于热节点网络的等效电路模型， 分析 SiC 功率

15、模块中关键结构的热分布、热应力-应变之间的关系，研究器件工作温度与SiC芯片应力的关系。热学管理 （Thermal Management） 也是功率电子模块设计的最关键基础问题之一， 由于模块内部各材料之间热膨胀系数失配而产生的热应力问题， 是导致器件中互连材料疲劳和老化失效的直接原因，特别是对于最大结温250的碳化硅功率模块来说， 与温度有关的残余热应力问题显得尤为突出。 为此， 针对高温、高密度碳化硅模块的封装形式和热载荷分布，我们拟采用三维稳态热传递方程来构建基于热节点网络的等效电路模型， 根据碳化硅功率模块的实际工况， 提取三维稳态热传递方程的边界条件，求解出碳化硅多芯片封装结构的内部

16、温度场分布，以此得出碳化硅模块中关键结构的热应力 - 应变之间的关系，简化模块内部各层单元之间的热通路， 保证模块内部各单元的工作温度维持在材料所能承受的极限温度范围之内。 同时， 根据所建立的三维稳态热分布模型， 进而得出模块内部各热阻分布，以及模块的动态热阻抗响应，并通过有限元仿真分析软件（如ANSYS 、 COMSOL、 NX、 MOCAD 等）对所建三维稳态模型进一步验证，以提高碳化硅功率模块的热学管理， 优化模块各层单元结构的热阻， 改善模块散热结构，对高温碳化硅功率电子模块的热学设计具有一定的理论指导意义。基于电磁场理论的低电感互连设计技术采用经典 Maxwell 电磁场理论对高频

17、碳化硅功率模块进行分析， 确定寄生损耗（寄生电阻、电容和杂散电感）随着器件工作频率变化的规律，降低碳化硅器件在快速开关过程中引起的高频振荡效应，降低高温、高频SiC功率模块内部的EMI 干扰问题。由于碳化硅功率电子模块在工作过程中产生的损耗，除芯片本身的损耗外，还有功率传输过程引起的寄生损耗， 如寄生电阻、 电容和电感效应。 为了降低碳化硅器件在快速开关过程中引起的高频振荡效应， 我们拟采用经典Maxwell 电磁场理论对高频碳化硅功率模块进行分析， 寻求寄生损耗 （寄生电阻、 电容和杂散电感） 随着器件工作频率变化的规律， 特别是在键合引线之间、 母排端子之间所产生的杂散电感或寄生电容。 同

18、时， 通过利用电磁场分析软件 （如 Ansoft Maxwell 、Q3D、HFSS CST等）对碳化硅功率电子模块进行有限元建模分析，考虑芯片之间的电流分布主要受寄生杂散电感和芯片之间杂散电感的不一致影响， 需对芯片均流化布局和母排功率端子进行优化设计， 以进一步降低高温、 高频碳化硅功率模块内部的EMI干扰问题（2）新型封装工艺技术方面（吴义伯）基于低温键合技术的贴片工艺由于目前传统功率模块中最常使用的 SnAg焊膏熔点在220 c左右，无法满 足结温高达250 c的碳化硅功率模块的贴片工艺需求，因此需要寻求一种能够耐更高温度的导电焊接材料，其中基于低温键合技术的银烧结工艺（如纳米级银粒

19、子、微米级银粒子等）、以及无压烧结工艺正好适合高温碳化硅模块封装，银烧 结层不仅能够承受超过300c以上的高温，而且热导率和电导率都比同类产品好 很多。但是，该技术尚未成熟，需要对银烧结工艺进行深入研究，重点探讨对银 烧结工艺机理，分析烧结层与芯片表面金属化层的界面兼容性，研究烧结工艺参数如时间、压力、温度等对烧结性能以及模块可靠性的影响。-高温互连技术由于受到宽禁带半导体模块封装需求的限制，必须选择新型高温封装互连技 术替代传统模块互连方式，其中主要涉及的关键共性技术有：芯片金属化层表面处理技术、衬板金属化层表面处理技术铜线/铜带/铝带/铝包铜等键合技术功率端子金属超声键合技术基于TSV的三

20、维封装技术-高温封装材料选型及优化设计技术 高温朔封外壳：一体化注模/转模工艺技术 高温绝缘复合材料研究：具有较高的玻璃转化温度（Tg250C）具有较高的热导率（5W/mK）低应力 高温热界面材料（TIM）-新型散热技术既然最大结温具有250c的高温，就必须考虑新型散热结构，在此，提出几 种新型散热结构及换热技术，供参考： 无基板散热结构 微通道散热结构 水冷+风冷混合散热结构 带有针翅结构的衬板散热方式 带有针翅结构的Cu-Al复合基板散热方式 具有金属泡沫的散热结构（3）器件振荡及性能变化方面（李诚瞻）模块封装考虑电阻特性，SiC装置的应用是材料、器件、封装等科学与技术问题实现突破的最终体

21、现 和最终目标。SiC装置在应用层面的关键在于能量和信号的传输机理与耦合机制 的研究，具体体现在“ SiC装置高频杂散参数分布机理、暂稳态特性建模及吸收 电路研究”、“SiC装置高频电磁耦合机理及电磁兼容优化规律”、“基于SiC的牵 引系统拓扑及优化方法”、“SiC器件门极高频驱动及安全保护理论”、“高功率密 度SiC功率装置的集成技术”、“高频工况下SiC器件吸收回路原理”等方面，它 们是器件一装置一系统的纽带。 本项目主要开展六个方面的工作：（1）在SiC基 大功率IGBT器件的基础上，通过解决从器件模型到电力电子变换器系统模型的 建模的关键问题，完成对高频大容量SiC系统的暂、稳态建模方

22、法、杂散参数分 布机理等问题的探索与研究；（2）深入研究高频、大功率SiC装置在能量传输过 程中的电场耦合、磁场耦合、电磁耦合、趋肤效应、辐射效应等问题的产生机理、 传导机制。分析其中新的物理现象和效应， 研究电力电子变换器系统内、 外电磁 干扰问题的产生机理、规律以及对性能的影响、解决超高频大功率电路和系统设 计的瓶颈问题。（3）以高速铁路牵引变流系统为背景， 研究一类SiC电力电子拓 扑的结构、演化规律及其控制方法。（4）分析和研究驱动和保护信号的延时、过 冲、畸变、申扰等信号完整性问题的产生机理和随频率、温度的发展规律，研究 电源噪声和驱动保护信号等的能量和信号的传输机理和耦合机制，提出

23、一套具有高可靠性且集电磁场理论、电路理论、传输线理论、热学为一体的SiC器件门极 驱动及其安全保护设计方法。（5）研究高温高压低感连接理论、模块化设计原理、 多SiC器件并联机理、高功率密度下SiC装置的散热规律等SiC功率装置的集成 技术和方法，针对系统电、热与机械性能的稳定性与可靠性，提出集成技术的优 化设计的理论与方法。（6）对SiC功率装置吸收回路的基本原理、拓扑以及电路 参数设计进行研究。研究内容具体如下：SiC装置高频杂散参数分布机理、暂稳态特T牛建模研究研究高频、大功率SiC装置中的能量（电、磁、场、路）传输和耦合的本质 与内在规律的机理，重点分析高频、大功率电力电子系统的杂散参

24、数分布机理； 建立暂态、稳态系统级电磁模型；同时为全面表征系统中电、磁传输机制，运用 电力电子学、电路与电磁场原理，建立电、磁、路、场分析的综合、一体化暂稳 态模型；并提出高频、大功率SiC电力电子装置的拓扑结构、几何结构、物理结 构及其设计方法；开展系统性交叉学科综合研究。在本项目SiC材料和器件研究的基础上，本课题旨在解决从器件 -装置-应用 的关键科学问题，建立源-荷层面的多学科、多维度、强耦合交叉问题综合解决 机制，构建高频、高压、大容量SiC系统集成应用平台。研制出适用于高速铁路 牵引变流系统的仿真与试验演示平台。SiC装置高频电磁耦合机理及电磁兼容优化规律研究采用高频SiC器件对电

25、力电子装置带来的一个最大的问题是电容兼容问题 （EMC）,因此必须在杂散参数分布机理研究和暂稳态特性建模的基础上，研究SiC电力电子装置在高频条件下采用集总参数模型的各元件之间的耦合特性，包括磁场耦合、电场耦合和电磁耦合等。研究由于高频电磁耦合而产生的电磁兼容 性规律，包括器件内部电磁兼容性、 装置内部元件之间的电磁兼容性、 装置外电 磁波干扰等，研究如何从抑制干扰源、切断传播途径、保护敏感设备三个方面抑 制电磁干扰的产生，总结出一套适用于SiC装置的电磁干扰抑制方法。具体措施 包括新型软开关技术、改善主电路拓扑结构与布局以及新型EMI滤波电路等方面。全SiC新型电力电子牵引变流系统拓扑演化及

26、优化机理研究针又t SiC的高频特性，在高频电磁耦合机理及电磁兼容优化规律探究的基础 上，研究SiC器件带来的变换器拓扑的变化规律， 提出采用全SiC器件的高频电 力牵引变流系统拓扑及优化方法，其中包括基于SiC的牵引用高频大功率电力电 子变压器（PET）拓扑以及采用SiC器件的新型多电平牵引逆变器拓扑等，从拓 扑演化及优化机理的角度，提出由SiC引入而产牛的变革性的变换器系统拓扑结 构。从可行性、稳定性、控制复杂度、模块化程度等方面出发，对各种可能的 PET和多由平巾路拓扑讲行分析和比较， 提炼出至SiC的巾力由干弯换器拓扑演 化规律。对全 SiC的PET和SiC牵引逆变器控制机理讲行研究：

27、采用频率法分析高频下牵引系统的惯性及稳定性， 研究分析系统抗扰能力及稳定判据， 找出改 善系统动态特性的规律。分析SiC高频变换器的多电平脉冲宽度调制， 研究并优 化SiC特定调制策略。研究全SiC电力电子牵引变流系统在多故障状态下系统控 制的耦合性，诊断方案以及系统集总和并联优化控制策略等。SiC器件门极高频驱动及其安全保护理论与方法研究对比Si和SiC器件的特征参数、动静态参数的区别，研究出 SiC器件的输 出能力、开关特性、损耗大小、过压能力、短路能力、温度系数、热循环能力及 可靠性指标随频率、温度等因素变化的机理和规律，并结合驱动和保护单元中电 源完整性、信号完整性和电磁兼容等问题的产

28、生机理、表现规律以及对电路性能 的影响；建立驱动和保护信号传输线的反射、延时、用扰等的数学模型，由此通 过信号完整性仿真软件对所设计的驱动和保护单元进行仿真分析以提出相对应 的改善和抑制措施；建立电源分配系统的数学模型，从内部开关噪声和外部开关 噪声对电源完整性进行研究。综合考虑不同的应用领域、功率大小、功率密度、 运行环境及散热条件，在电路拓扑、数值优化、电路布局和版图布线等设计过程 中提出适用于SiC器件的解决方法，为提出一套具有高可靠性且集电磁场、 电路 理论、传输线理论、热学为一体的SiC器件门极驱动及其安全保护设计方法奠定 理论基础。高功率密度SiC功率装置的集成技术及方法研究依据高

29、频电磁耦合机理及电磁兼容优化规律， 研究SiC器件的开关频率和寄 生参数和所引起的浪涌电压、电流尖峰的一般性规律，为设计出适用于SiC器件 的低感母排连接设计方法提供理论基础，使得开关器件之间、开关器件与电容之间的杂散电感大幅减少，可简化和优化吸收回路拓扑甚至摒除吸收回路，优化复合低感母排的结构和布局，开发出在高结温高温下的阻燃绝缘热缩材料。研究模块集成原理，认识模块集成的机理、根源及表现规律，可为设计出将SiC器件、低感母排、散热器、滤波电容、驱动保护单元、脉冲分配单元、驱动电源等关键 部件组合起来的方法奠定理论基础， 使模块平台化、通用化与系列化，提高系统 可靠性，节省设计、生产及管理成本

30、，得到优化的系统架构与系统性能。研究多 SiC器件并联原理，研究静动态电流分布机理，得出 SiC器件的等效电阻，驱动信号的同步性、主电路参数以及散热效果等因素对静动态电流分布的影响机理。研究高功率密度下 SiC 器件 （包括反向恢复二极管） 通态损耗、 开关损耗的功耗计算模型， 得出整个 SiC 器件模块的功率损耗模型， 建立选择散热器大小， 形状等的应用平台， 结合热学、 电路理论和机械结构学等理论， 提出一整套热优化设计的理论。研究外围器件（电容、 MCU 等）的参数、工作状态等随温度变化的一般性规律，为高结温下器件选型提供理论依据。高频工况下SiC 器件吸收回路原理及方法研究研究出适合于

31、SiC 功率装置的吸收电路拓扑， 分析各种拓扑的优缺点以及最优的应用条件，并分析出吸收电路的拓扑和所需元器件值与主电路的布局结构，杂散电感值的大小、变流器的功率、工作频率等因素的一般性规律。三、预期目标（一）总体目标本方面通过对 SiC 器件在牵引逆变器和电力电子变压器等领域的应用，对SiC 装置拓扑演化及控制机理进行研究， 对 SiC 器件门极高频驱动及安全保护理论与方法进行研究， 对 SiC 器件在高频、 大功率条件下装置的系统集成技术进行优化设计， 对高频工况下SiC 器件吸收回路原理及方法进行研究， 解决 SiC 在高频应用的问题， 研制出高频大功率研究全 SiC 牵引电路和演示系统，

32、 加速 SiC 产业化步伐， 使全 SiC 的牵引变流器达到实用化水平， 使我国在 SiC 机车牵引变流器的研究中处于领先地位，提高我国的核心竞争力。（二）五年预期目标：*解决大容量SiC器件的振荡问题，突破满足高耐受温度的SiC器件封装结构设计和器件封装工艺，实现功率器件实际工作温度从125到250的跨越；在国内外核心刊物上发表论文20篇以上， 授权或受理发明专利 10项以上。提出一套具有高可靠性且集电磁场、 电路理论、 传输线理论为一体的 SiC 器件门极驱动及其安全保护的设计方法； 从SiC功率装置的低感连接理 论、模块化设计原理、多SiC器件并联机理、高功率密度下 SiC装置的 散热规

33、律等方面来对SiC装置的集成技术展开深入的研究；研究出适合 于SiC装置的吸收电路。以上述机理及规律为理论基础，研制出 3300V电压等级的SiC功率装置 样机，达到规定的RAMS （可靠性、可用性、维护性和安全性）标准。在国内外核心刊物上发表论文 20篇以上，授权或受理发明专利10项以 上。四、研究方案（一）研究方案和技术途径高频电磁特性机理、系统集成及优化控制方面SiC装置高频杂散参数分布机理、暂稳态特性建模研究SiC装置高频电磁耦合机理及电磁兼容优化规律研究全SiC新型电力电子牵引变流系统拓扑演化及优化机理研究SiC器件门极高频驱动及其安全保护理论和方法研究基于SiC器件的技术资料，研究

34、SiC器件的输出能力、开关特性、损耗大小、 过压能力、短路能力、温度系数、热循环能力及可靠性指标随频率、温度等因素 变化的机理和规律，利用高速电路的理论和传输线理论， 对驱动和保护单元中电 源完整性、信号完整性和电磁兼容等问题的产生机理、表现规律以及对电路性能 的影响展开研究，并由此建立驱动和保护信号传输线的反射、延时、申扰等的数 学模型，并利用Cadence等信号完整性仿真软件对所设计的驱动和保护单元进行 仿真分析。分析外部因素和内部因素对电源完整性产生的影响。设计出隔离变压器使驱动电源和控制电源实现电气隔离，利用光纤解决控制器与门控单元的高压 隔离问题，提高系统的抗干扰能力。在器件选型、P

35、CB板布线布局方面进行严 格的控制，得到具有高可靠性的 SiC器件门极驱动及其安全保护单元。高功率密度SiC功率装置的集成技术及其方法研究依据开关器件的开关频率和寄生参数和所引起的浪涌电压、电流尖峰的一般性规律，利用Ansoft Maxwell 3D和ANSYS等工程电磁场有限元分析和仿真软 件设计出适用于SiC器件的低感母排。通过优化复合低感母排的结构和布局并开 发出在高结温高温下的阻燃绝缘热缩材料， 提高低感母排在高温高压下的绝缘能 力。利用高频杂散参数分布机理，研究静动态电流分布机理，得出SiC器件的等 效电阻，驱动信号的同步性、主电路参数以及散热效果等因素对静动态电流分布 的影响规律。

36、基于微电子理论和 MATLAB-Tool软件，研究高功率密度下SiC器 件（包括反向恢复二极管）基于物理结构和数学方法的损耗计算模型，利用 ANSYS Icepark进行热仿真，进而选择热交换方式以及热交换器的大小、形状等。 电容、MCU等外围器件的选型可通过对其参数、工作状态等随温度变化的一般 性规律进行研究而实现。高频工况下SiC器件吸收回路原理及其方法研究通过分析各种拓扑的优缺点以及最优的应用条件， 以及吸收电路的拓扑和所 需元器件值与主电路的布局结构，杂散电感值的大小、变流器的功率、工作频率 等因素的一般性规律，利用 MATLAB等电路仿真软件，设计出SiC器件吸收回 路拓扑和基本电路

37、参数。（二）创新点和特色课题创新点：课题五1、具有耐高温能力的SiC器件新型高密度高集成度封装结构和封装工艺；2、采用热-机械、电-磁相结合的分析方法，开展物理形变、电磁干扰等问题的研究，研制出耐受温度达到 250c的SiC功率模块。课题六6在高频电磁特性机理、系统集成及优化控制方法与应用方面， 提出的创新 方案和特色如下：利用高速信号理论和传输线理论，针对特征参数、动静态参数的SiC器件，分析和研究驱动和保护信号的信号完整性、电源完整性等问题的产 生机理和发展规律，提出一套具有高可靠性的SiC器件门极驱动及其安 全保护设计的准则，保证SiC器件门极驱动及其安全保护方法的可靠性。 研究出低感连

38、接原理、模块化设计原理、多 SiC器件并联原理、高功率 密度下SiC装置的散热原理、高结温高压下的母排绝缘技术、外围器件 配套技术等电力电子系统集成技术。研究出适合于SiC功率装置的吸收电路拓扑，分析各种拓扑的优缺点以 及最优的应用条件。（三）课题设置（重点）课题5、高温SiC功率模块研究课题预期目标：1、认识并理解SiC器件封装结构中电、磁、热特性传输和耦合的本质与内在规律，建立电、磁、热一体化的表征体系和表征方法。（研究高结温工作下的SiC芯片的热学-机械学-电学变化规律，确定 芯片形变量、电学特性变化与结温关系；研究SiC功率器件的热电耦 合及身频条件下的振荡现象，电磁振荡幅度和振荡频率

39、满足应用需 求；）2、通过理论分析和数值计算，建立 SiC功率器件封装结构的设计方 法和设计规则，形成SiC功率器件高温封装体系；（研究高温工作的 SiC功率器件封装新结构）3、提出SiC功率器件耐高温封装整套解决方案，突破关键封装工艺，实现大容量SiC功率器件的耐受温度达到300c以上aoo-4002000-143.5144.Q145 0课题研究内容：1、*高温条件下，芯片形变对互连的影响；2、*确定SiC功率器件的封装结构和封装工艺技术对芯片尺寸的限3、建立SiC耐高温功率器件结构设计方法学，实现新结构SiC功率器件；4、SiC功率器件的耐高温封装工艺技术；5、研究电磁干扰现象，振荡机理，

40、实现电磁兼容；课题6、全SiC装置高频电磁特性机理、系统集成及优化控制方法和技术研究预期目标：提出一套具有高可靠性且集电磁场、电路理论、传输线理论为一体的SiC 器件门极驱动及其安全保护的设计方法；针对SiC功率装置的特殊性，提出一套基于低感连接理论、模块化设计原理、多SiC器件并联机理、高功率密度下 SiC装置的散热规律、高结温高压下的母排绝缘技术等的集成技术；研究出适合于不同功率等级、拓扑的 SiC功率装置的吸收电路和电路参 数。以上述机理及规律为理论基础，研制出 3300V电压等级的SiC功率装置 样机，达到规定的RAMS标准。课题研究内容SiC装置高频杂散参数分布机理、暂稳态特性建模研

41、究SiC装置高频电磁耦合机理及电磁兼容优化规律研究全SiC新型电力电子 牵引变流系统拓 扑演化及优化机理研究基于信号完整性和电源完整性分析，综合考虑不同的应用领域、功率大 小、功率密度、运行环境及散热条件，在电路拓扑、数值优化、电路布 局和版图布线等设计过程中提出适用于SiC器件驱动和保护单元的解决 方研究高温高压低感连接理论、模块化设计原理、多 SiC器件并联机理、 高功率密度下SiC装置的散热规律等SiC功率装置的集成技术和方法， 针对系统电、热与机械性能的稳定性与可靠性，提出集成技术的优化设 计的理论与方法研究出适合于SiC功率装置的吸收电路拓扑，分析各种拓扑的优缺点以及最优的 应用条件

42、。如何实现 拓扑形式、发挥优势探讨结构、解决热电实现方式现状、规划（四）可行性分析南车时代电气自1964年开始从事大功率半导体器件的研制生产，是我国当前技术水平最高、 产品门类最全、 市场占有率最高的大功率半导器件研发和制造单位。南车时代电气于 2008 年成功收购了全球知名的大功率半导体器件公司Dynex Power Inc.,并在英国林肯建立大功率半导体研发中心，为大功率半导体器件产业的持续发展提供了国际化的平台。公司注重研发、产业化能力建设，95%的科技成果转化为生产力，近年来，公司在大功率半导体器件的研发、 制造、 产业化方面不断投入， 目前拥有 4 英寸大功率器件生产线2 条， 6

43、英寸大功率器件生产线 3 条（其中 6 英寸 IGBT 芯片生产线 1 条） ，大功率 IGBT 模块封装生产线 2 条，正在投资建设国内第一条8英寸大功率IGBT 芯片和模块封装产业化基地， 已经构建了集设计、 制造、 测试、应用于一体的完整产业平台。南车时代电气与中科院微电子所强强联合， 建立了新型电力电子器件联合研发中心， 联合研发中心以 SiC 电力电子器件为主要研究内容。 目前， 已经成功研制出1200V SiC SBD器件、240A /1200V高效功率模块样品，并开展了SiC模块测试前期研究，初步构建了封装平台。基于近 50 年的持续创新和技术积累，在国家科技重大专项、国家科技支撑计划、 电子信息产业发展基金等专项的鼓励和支持下， 南车时代电气已经掌握了大功率半