今天这篇文章来自华北电力大学，主要内容是四种封装形式SiC MOSFET浪涌能力对比，
先介绍背景
实际应用中，SiC MOSFET常工作于第三象限，目前大多商用器件采用体二极管实现第三象限续流
但需注意，当VGS< 0V时，并非所有电流都通过体二极管，一部分可能通过沟道导通，
对部分商用SiC MOSFET，即使施加-5V栅源电压，三象限沟道仍无法完全关断，这一现象由体效应和栅极电位抬升共同导致
且，体二极管续流面临的最大问题是浪涌耐受能力，一旦浪涌电流超过承受能力，可能导致器件退化甚至失效
另外，大电流应用要求更大的芯片面积，随之而来是电流分布不均、局部热失控风险加剧等问题
基于此，有必要全面评估大芯片面积SiC MOSFET浪涌可靠性。
是什么决定了大芯片面积SiC MOSFET的第三象限浪涌可靠性？
答：封装结构与芯片物理特性耦合，是其核心。
比如，传统铝丝键合器件，键合丝排布角度决定了电流分布，进而影响芯片温度分布
这种电热耦合效应是抑制局部热点、避免金属层熔融毁灭性失效的关键，
但传统引线键合工艺存在键合丝—芯片界面裂纹扩展风险较高、热阻较大等固有问题，难以彻底解决
为突破瓶颈，业界已开发诸多先进互连技术，如Cu clip、DTS（Die Top System，芯片顶部互连）
这些互连技术具备更低的寄生电感、更强的过流能力和散热能力，适用于高功率密度装备
但已有研究只验证了这些技术在稳态工况下的优势，浪涌等极端工况尚未有深入研究
基于此，作者针对引线键合（Bonding Wires）、Cu clip和DTS技术，对比不同器件的浪涌可靠性。
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如上，四种封装结构，BW、Cu clip、BW+DTS、Cu clip + DTS，
所有器件均采用同款商用1200V/185A SiC MOSFET，芯片尺寸5×5mm2，
Cu clip用焊料实现互连，两种DTS封装通过银烧结替代焊料，
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四种器件IV特性如上，左图是VGS=-10V，右图是VGS=15V，
静态IV特性基本一致，不受互连工艺差异之影响，
另一细节是栅压对导通压降的影响，
想象一条平行于横轴的直线，会发现，相同电流下，-10V时的器件导通压降明显高于+15V时的器件导通压降。
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VGS=-10V、浪涌持续10ms工况下，四种器件浪涌IV轨迹及耗散能量如上，
-10V栅压下，沟道完全关死，电流完全从体二极管通过，所有样品导通压降均在3.3V左右，
浪涌IV轨迹呈逆时针环状（看图中标注的箭头），且峰值电流增大时曲线斜率上升，这一现象源于体二极管正向压降的负温度系数特性（Negative Temperature Coefficient，NTC），
简单解释这个过程，
第一阶段，浪涌电流开始从零上升，随着电流增大，器件发热，结温升高，
由于NTC效应，导通压降反而有所降低，
表现在IV轨迹上，就是电压增长速度赶不上电流增大速度，曲线向左弯曲，即整个环状曲线的下半部分。
第二阶段，浪涌电流达到峰值后开始回落
随着电流逐渐归零，器件开始冷却，压降逐渐恢复到初始值。
当然，虽然四种器件的IV轨迹趋势一致，但不同器件的浪涌耐受极限有明显差异
Cu clip不如BW，前者金属熔融失效电流为324A，后者为363A
作者的解释是，Cu clip与芯片之间采用焊料连接，而非银烧结，降低了金属热稳定性。
而带DTS的两种方案浪涌耐受电流均有明显提升
BW+DTS为644A，Cu clip + DTS为645A，接近翻倍
DTS的作用可见一斑——有效避免体二极管导通工况下的电流分布不均匀，提升热稳定性。
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VGS=15V、浪涌持续10ms工况下，四种器件浪涌IV轨迹及耗散能量如上，
此时沟道完全开启，浪涌电流主要通过沟道流淌，
仔细看图注箭头，此时的IV轨迹为顺时针环状，为什么与上一张图不一样？
因为沟道电阻具备正温度系数。
此时Cu clip浪涌耐受能力优于BW，前者金属熔融失效电流为286A，后者为266A，
这是因为引线键合结构寄生电阻较高、电流分布不均，
但Cu clip结构虽然浪涌能力更优，IV轨迹却出现畸变，即b图中的绿线，
原因是沟道通路压降达到了阈值，触发了体二极管导通。
两种带DTS结构浪涌耐受能力同样有显著提升，BW+DTS为404A，Cu clip + DTS为446A，提升约50%，
证明DTS在正向导通状态下亦可辅助优化散热、均匀电流分布。
再看四种器件的失效形貌，
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如上，（a）是VGS=-10V时的失效形貌，（b）是VGS=15V时的失效形貌，
VGS=-10V时，浪涌电流全部由体二极管流过，
BW器件失效现象是局部热点，器件大部分区域如常，
Cu clip器件则出现金属层熔融，波及大片区域，本质上是焊料界面导热性能差，抵消了Cu clip的散热优势，使其早早失效。
引入DTS后，耐受能力显著提升，失效现象仍然不外以上两种。
VGS=15V时，浪涌电流以沟道导通为主，
无DTS的两种器件，表现为栅PAD附近出现局部热点，引发栅源短路，本质上是这附近的元胞密度更高，局部电流集中导致热失控。
有DTS的器件，失效现象为有源区金属熔融，但受沟道导通影响，热扩散、金属熔融速度更快。
整体上结论有二
1、沟道导通工况下的浪涌耐受能力弱于体二极管导通工况，
2、相比BW，Cu clip性能提升有限，而DTS可显著优化电流分布，显著提升浪涌能力。
再进行仿真分析，
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如上，四种器件建模
仿真输入信号如下：无DTS器件通流266A，DTS器件通流400A，
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温度、电流密度分布如上
高温集中在键合拐角、Cu clip边缘等接触区域，本质上，几何结构的边缘容易发生电流集中，造成局部过热，
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这张图看得很明显，
引入DTS后，无论峰值温度还是整体温度，均有显著降低，
而Cu clip器件由于采用焊料互连，热量无法快速导出，因此比BW器件更早失效。
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以及这张图，VGS=15V条件下的电热仿真
SiC MOSFET上方采用不同金属，分别为传统铝丝键合（a），铜夹片（b），以及银烧结（c），
从Al、Cu到Ag，峰值温度逐渐降低
为什么采用银烧结的DTS结构温度最低？
因为低沟道电阻与银烧结层的协同效应
沟道电阻小降低单位面积焦耳热，银烧结层紧贴热源，提供低热阻通路，快速导出芯片内部热量。
Cu clip器件正是受焊料导热能力拖累，无法快速导出热量，致使浪涌能力不佳。
小结：
1、制备四种封装器件，BW、Cu clip、BW+DTS、Cu clip + DTS，对比浪涌能力
2、体二极管导通工况（VGS=−10V）：Cu clip器件浪涌能力弱于BV器件，引入DTS的两种器件性能接近，浪涌耐受电流相比无DTS器件提升近一倍，
MOS沟道导通工况（VGS=15V）：Cu clip器件浪涌能力优于BV器件，引入DTS的两种器件性能接近，浪涌耐受电流相比无DTS器件提升近50%，
3、体二极管导通工况，器件失效现象为有源区金属熔融，沟道导通工况，器件失效集中在栅PAD附近，
4、Cu clip器件因焊料层导热系数低存在散热瓶颈，引入DTS结构可有效解决此问题。
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