今天这篇聊聊SiC MOSFET模块，包括功率模块之层级、结构和技术演进，以及SiC功率模块与Si IGBT模块之性能和可靠性对比，
（1）功率模块之层级：
对功率器件而言，上下游链条包括：材料→芯片or器件→电路，前后三级，
模块在哪里？
在二三级之间。
这链条代表着什么？
答：功率器件领域，技术的递归性（Recursion），
所有技术都具备某种共同结构——递归性结构，
何为递归性结构？
即，技术包含技术，直至最底层的技术，所有技术都是由某种自相似组件构成。
这当然不是说一台发动机内部包含一些小的发动机，而是说——发动机的二级组件也是技术，构成二级组件的三级组件，也是技术，换言之，技术是由不同层级的技术，堆砌而成。
具体到芯片领域，从材料，到芯片or器件，再到电路，这便是三级结构，材料构成芯片or器件之主体，芯片or器件又成为电路之核心，
逐层递进。
从开头说起，所谓材料，指晶圆（wafer）材料，送到芯片制造商手中的材料，包括衬底和外延
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如上，1200V SiC MOSFET晶圆示意图，
若你轻轻夹起一片晶圆，抬到面前，你恐怕很难直观理解衬底和外延，因为眼前之物太薄，薄到似乎一触即碎，然而它的确分为两层，底层较厚的衬底，表层较薄的外延，两者厚度相差十余倍。
拿到材料后，开始投片，经过光刻、干法、高温等一系列工艺，一片晶圆上诞生千百颗芯片，一般将此时的芯片，称为“裸芯片”，顾名思义，裸露未经封装的芯片。
而所谓的“器件”，指将这些“裸芯片”送至封装厂家，用某些材料将“裸芯片”包裹，使其与外界环境隔绝，即成“器件”。
“器件”长这般模样，
“裸芯片”隐于黑色外壳之中，只有几条银色的电极腿，彰显它与外界的联系。
这几条腿，业界称之为管脚，次序分明，各自与芯片的不同电极相连。
“芯片”or“器件”，本质上处于同一层级，区别只是有无外壳而已。
上述链条中，最后一级是电路，那么模块在哪里？
答：所谓模块，既不纯粹与器件一个层级，也不完全与电路一个层级，它是一个实现电路功能、高度集成的系统级器件，是标准化、预制化的电路单元，换言之，模块，是“器件”与“电路”的中间层级，
为什么要在“器件”和“电路”之间，搞出这么一个中间层级？
若没有模块，直接将分立器件交给系统工程师，他需要处理从“器件”到“电路”的所有细节，包括但不限于器件选型、驱动设计、布局优化、散热管理、绝缘设计，
一旦设立模块这层级，将多颗芯片（MOSFET、SBD）、各种互连（键合线、基板）、驱动接口（信号端子）和散热结构（基板），集成在一绝缘封装内部，
对系统工程师而言，他拿到的是一个 “即插即用”的功能单元，
他只需要关心，如何提供驱动信号、连接直流源和负载、安装散热器。
若将电路比作一个待建的房间，将芯片比作砖块，
模块，便是一块预制墙板，砖块、管线、瓷砖等部件，集成于一个功能单元，系统工程师可以直接使用，而不必考虑这面墙的诸多设计。
说到这，不禁想到集成电路，
由晶体管等有源元件，电阻电容等无源元件构成的集成电路，不也是这样一个定制化模块吗？
单片集成idea的精髓，正在于将一个复杂电路，浓缩到一块芯片，
在这idea出现之前，在人们心中，“芯片”，等同于“分立器件”，等同于“XX管”这种器件，
而在“集成电路”出现后，在人们心中，“芯片”成为一个包含“XX管”、“电阻”、“电容”、“电感”等不同类型元件的复杂系统，
这是一次观念的跃迁。
所以，功率模块是什么？
是集成思想在功率电子领域之延续，是通过封装技术实现系统集成之结晶。
（2）功率模块之结构：
接下来，介绍功率模块的结构，
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功率模块截面图如上，包括如下几部分，
1、硅胶（Silicone gel），用于封装和隔离，防止水分和杂质进入模块，增强整体结构的机械强度。
2、芯片（chip）：这是功率模块中的核心器件，负责功率开关转换，
3、焊料（solder）：用于连接不同的电气元件，如芯片与散热板之间的连接，在模块内部实现电流传导。
4、布线（wire）：用于连接模块中的各个部件，确保信号传输。
5、绝缘基板（Isolation substrate）：确保不同区域的电气隔离，以防短路。
6、散热板（Base Plate）：用于模块的散热，通常是金属材料，通过焊接或者其他方式与内部组件连接，确保在高功率运行时，热量能有效散发。
7、散热器（Heatsink）：散热器与散热板连接，用于进一步确保热量传递，通常由铝合金等高导热材料制成。
另外，散热板与散热器之间的空隙，通常使用导热硅脂或导热片等材料填充，
这是因为散热板存在翘曲，会形成几十μm的凹凸形状，导热材料用于填平这些空隙。
（3）功率模块之技术演进：
再看功率模块的技术演进，
大电流功率模块领域，此前普遍采用Si基IGBT模块，由Si IGBT + Si FRD组合而成（FRD作为续流二极管，为感性负载提供续流路径），
SiC器件兴起后，出现全SiC功率模块，即，SiC MOSFET + SiC SBD，无论开关器件和二极管都采用了更优的SiC材料，实现技术平台全面升级。
相比Si基IGBT模块，SiC模块有何优势？
1、关断损耗明显降低，因为IGBT的拖尾电流使IGBT模块的关断损耗较高，
2、开关损耗明显降低，FRD的反向恢复电流使GBT模块的开通损耗较高。
之所以有此两种优势，本质上是因为MOSFET、SBD属于单极型器件，前者没有拖尾电流，后者反向恢复电流极小。
基于以上优势，SiC功率模块具备以下效果：
1、通过减小开关损耗，改善电源效率并简化散热系统，
开关损耗是高频电源系统的主要损耗源之一，大幅减小开关损耗，意味着系统整体效率的提升，
且，损耗降低意味发热减少，因此原本需要大型散热器、强制风冷甚至水冷的设计，现在可能只需要一个小型散热器或自然冷却就能满足要求。
于是成本、体积和重量降低。
2、通过工作频率高频化，实现外围器件小型化，
SiC器件的低开关损耗特性，使其能够工作在远高于Si IGBT的频率，而不会导致过热或效率骤降，这一优势在系统层级引发了另外的效果。
磁性元件（如电感、变压器）的体积与工作频率成反比，频率越高，实现相同功能所需的电感值和变压器体积越小，
同样，滤波电容的容值也可随工作频率增高而减小，
因此，通过使用SiC模块，整个电源系统的被动器件（电感和电容器）可以实现小型化，从而让整个设备更紧凑轻便。
（4）SiC功率模块与Si IGBT模块之性能对比：
这部分将SiC功率模块与Si IGBT模块进行性能对比，
选取三家公司的1200V 100A的2in1结构Si IGBT模块，与ROHM的SiC功率模块进行对比，
后者型号为BSM120D12P2C005，
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相比损耗最小的IGBT模块（公司C），SiC模块的总损耗降低85%，
由此可以实现IGBT模块无法做到的50kHz以上高频驱动，进而实现电感等被动元件小型化，降低系统成本。
另外，IGBT模块通常存在开关损耗引起的发热问题，只能按照额定电流一半左右的电流进行使用，
如果使用开关损耗较小的SiC模块，即使高频驱动，也无需进行明显的电流降额。
换言之，SiC模块可以替换额定电流更大的IGBT模块。
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四种模块的反向恢复损耗对比如上，
相比Si FRD，SiC SBD的优势非常明显，SiC模块的Err几近于零。
前文已解释原因，SBD是单极型器件，FRD是双极型器件，导电机制的不同致使有此差异。
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开通损耗、关断损耗对比如上，
Eon的差异尚不明显，四种模块的趋势相同，随着栅阻增大，Eon逐渐增大，
Eoff的差距明显，SiC模块的关断损耗明显小于IGBT模块，因为IGBT关断时存在拖尾电流，增大关断损耗，而MOSFET作为单极型器件不存在这一问题。
（5）SiC功率模块与Si IGBT模块之可靠性对比：
最后这部分，聊聊SiC功率模块与Si IGBT模块的可靠性对比，
高温高湿反偏测试（H3TRB）是评估器件在电化学环境可靠性的经典方式，具体测试过程如下：
将器件置于高温高湿的箱内，施加反向电压，IEC 60749-5等标准规定了测试条件，相对湿度85%、环境温度85℃，反向偏压一般选取器件额定电压的60%~80%，
选取相同封装、性能相当的Si IGBT模块与SiC MOSFET模块进行H³TRB测试，对比两种器件在抗电化学应力方面的差异。
测试器件（DUT）额定电压1200V，额定电流25A，
Si IGBT与SiC MOSFET采用相同的封装形式，无基板模块，通过焊接固定芯片，配备DCB基板，填充材料为硅凝胶，
DUT包括5个Si IGBT模块、16个SiC MOSFET模块，
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实验前，先测试两种模块的阻断特性，如上，
相比Si IGBT，SiC MOSFET的漏电大约低1个数量级，这源自SiC材料本征载流子浓度更低的特性。
接下来，对两种模块进行H³TRB测试，条件完全一致：相对湿度85%、环境温度85℃、测试电压960V，
测试过程中，实时监测器件漏电流，失效判据为漏电流增大一个数量级，
每累计500小时，在室温下对模块进行阻断特性中间测试，
测试前需将DUT置于相对湿度10%、环境温度50℃的条件下干燥24小时，
测试完成后，重新施加测试所需的温湿度环境，并稳定24小时，随后恢复施加测试电压以继续测试。
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如上，H³TRB实验过程中，SiC MOSFET模块历次阻断特性中间测试，漏电流随累计实验时间的变化特性，
不同曲线代表不同模块，
可以看到，随着H³TRB应力累计时间的增加，模块漏电流整体呈轻微上升趋势，
多数DUT的漏电流较稳定，只有一个模块（黄色实线）比较特殊，漏电流整体偏高且波动很大。
长达1万小时的测试中，16个SiC MOSFET模块，有11个失效。
室温阻断特性测试结果显示，失效模块的特性存在差异。
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如上，3只失效SiC MOSFET模块在初始状态与寿命终止后的阻断曲线，
IM是中间测试，EOL是寿命终止测试，
3只模块在寿命终止时均出现漏电流增大，但具体情况有所不同，
部分失效模块几乎完全丧失阻断能力（蓝色曲线），部分模块阻断能力显著下降（橙色曲线），
部分模块虽已判定失效，但在室温下仍保持完整的阻断能力，仅漏电流显著增大（黄色曲线）。
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另一有趣现象是，随着H³TRB应力累计时间的增加，SiC MOSFET模块在中间测试后，重启H³TRB应力时，漏电流表现有所差异，如上，
一开始（Initial），重启H³TRB实验，漏电流基本不变，
5200 h后，重启H³TRB实验，漏电流迅速增至10μA左右，随后逐渐下降，稳定在7μA左右，
7800h后，重启H³TRB实验，漏电流迅速增至40μA左右，随后逐渐下降，稳定在15μA左右，
换言之，H³TRB应力施加时间越长，器件内部局部退化越严重，重启后漏电流迅速增大，但这种退化具有自限性（self-limiting），因此漏电后来又降至较低水平。
这里要解释一下，啥叫自限性？
我的理解如下：
H³TRB应力施加时间越长，器件局部退化越严重，
具体来说，就是某区域（如芯片边缘、钝化层缺陷处）发生材料或结构的变化，使其绝缘能力退化，形成漏电流路径，于是重启后漏电流迅速增大，
然而漏电流骤增会使局部区域发热，发热又会带来其他后果，
比如局部温度升高，水分蒸发或材料氧化，阻断漏电流路径，比如热膨胀或材料结构变化，使电流路径暂时中断，
总之，发热导致的这些后果，使得漏电流在迅速增大后，逐渐降低。
概言之，漏电流骤增→局部区域发热→发热触发某种或多种阻断or削弱漏电路径的机制→漏电流逐渐下降，
这是一个负反馈过程，
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对部分失效器件进行开帽处理，观察表面形貌，如上，
左图器件出现了枝晶生长现象，两根枝晶从芯片表面未受保护的金属区域，延伸至芯片边缘，
能谱分析表明，枝晶的成分是银，即聚酰亚胺表面的银。
银枝晶是典型退化机制，也是Si基功率器件常见失效原因。
右图器件则是芯片边缘附近的聚酰亚胺层损伤（图中芯片拐角终端附近的白色区域）。
测试结果显示，银枝晶芯片在寿命终止后完全丧失阻断能力，而聚酰亚胺层损伤芯片仍保持阻断能力，但漏电流增大。
这表明失效模式与退化现象之间可能存在相关性，但目前数据尚不充分，需进一步研究才能得出最终结论。
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对比SiC MOSFET与Si IGBT的失效时间，采用威布尔（Weibull）统计方法对测试结果进行分析，如上，
Si IGBT的形状因子（the Weibull shape factor）明显更高，表明其失效分布范围更窄，
这可能源于Si基器件制造工艺更成熟，生产波动更小，因此器件特性一致性更佳。
这里解释一下，Weibull shape factor到底啥意思？
一般用β表示，
β＜1，表示“早期故障期”，故障率随时间下降，通常由制造缺陷、工艺问题引起，
β=1，表示“随机故障期”，故障率恒定，此时Weibull分布退化为指数分布，故障由外部随机冲击或过应力引起，
β＞1，表示“耗损故障期”，故障率随时间增加，通常由磨损、老化、疲劳等内在退化机制引起。
β越大，意味着故障时间越集中，分布越窄，产品一致性越好，但也意味着一旦开始耗损，故障加速的趋势更明显。
从图中看，Si IGBT的β=17.8，远大于1，说明属于典型的“耗损故障”，且故障时间非常集中，
即，Si器件工艺更加成熟，制造出的器件性能高度一致，几乎所有器件都在一个相对狭窄的时间窗口内发生故障。
而SiC MOSFET的β=2.6，远小于前者，表明故障时间的分散性更大（曲线更平缓），
即，SiC器件工艺成熟度更低，器件初始特性差异较大，因此在相同应力下，各器件的退化速度不一致，失效时间分布得更广。
再看威布尔尺度因子（theWeibull scale factor，对应63.2%测试样本失效时的时间），
SiC MOSFET的尺度因子约为Si IGBT的4倍，
同样解释一下，
Weibull scale factor，常用η表示，当累积故障率达到63.2%时，对应的时间即为尺度参数η，因此也被称为“特征寿命”。
η越大，代表产品的总体寿命越长，耐用性越好，抵抗应力的能力越强。
因此SiC MOSFET的尺度因子是Si IGBT的4倍，表明SiC器件的抗电化学应力可靠性更优。
对比测试中，所有Si IGBT模块寿命均未超过2500小时，所有SiC模块均承受了超过3000小时的累计H³TRB应力。
小结：
1、对功率器件而言，上下游链条包括：材料→芯片or器件→电路，前后三级，
功率模块位于在二三级之间，是“器件”与“电路”的中间层级。
2、功率模块的主要组件包括：硅胶、芯片、焊料、布线、绝缘基板、散热板、导热材料及散热器。
3、相比Si基IGBT模块，SiC功率模块可明显降低开通、关断损耗，从而改善电源效率并简化散热系统，实现外围器件小型化。
4、对比三种IGBT模块与ROHM的SiC模块，相比损耗最小的IGBT模块，SiC模块的总损耗降低85%，
由此可以实现IGBT模块无法做到的50kHz以上高频驱动，进而实现电感等被动元件小型化，降低系统成本。
5、对SiC MOSFET模块，H³TRB应力施加时间越长，器件内部局部退化越严重，重启后漏电流迅速增大，但这种退化具有自限性，因此漏电后又降至较低水平。
6、Si IGBT的形状因子达17.6，表明其失效分布范围更窄，这源于Si基器件制造工艺更成熟，生产波动更小，因此器件一致性更佳。
而SiC MOSFET的形状因子只有2.6，远小于前者，表明故障时间的分散性更大，
原因是SiC器件工艺成熟度更低，器件初始特性差异较大，相同应力下，不同器件的退化速度不一致，失效时间分布范围更广。
SiC MOSFET的尺度因子是Si IGBT的4倍，表明SiC器件抗电化学应力可靠性更优。
7、所有Si IGBT模块寿命均未超过2500小时，所有SiC模块均承受了超过3000小时的累计H³TRB应力。
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