东芝SiC模块新技术，热阻降低21%

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常规的车规级碳化硅模块研发方向之一是增大碳化硅芯片尺寸，从而在减少碳化硅芯片颗数的同时，来实现同等或更多的电流输出能力和提升模块的可靠性。

而东芝半导体反其道而行之——最近推出了一种新的碳化硅模块技术，通过采用更多的小尺寸碳化硅芯片，来降低模块热阻以及逆变器散热器尺寸。

6月4日，东芝公司发文称，他们开发出了一种“树脂绝缘基板”SiC模块，其热阻比传统的陶瓷绝缘SiC功率模块降低了21%。此外，该模块可将通用逆变器的散热系统尺寸减小61%。

东芝认为，这项“树脂绝缘基板”技术可使SiC模块小型化成为可能，从而减少安装空间和成本，并有望推动电动汽车和可再生能源的进一步普及。

SiC功率模块在铁路、新能源汽车和可再生能源和工业领域的电力转换设备中越来越受欢迎，通常碳化硅模块采用的是陶瓷绝缘基板，而东芝这次开发的碳化硅模块采用的是树脂绝缘基板。

东芝表示，与陶瓷绝缘基板相比，树脂绝缘基板存在热导率低、热阻高的问题。

热阻高，碳化硅芯片的热量难以穿过材料，容易在内部积聚，从而导致模块功率损耗提高，进而导致碳化硅芯片的性能和可靠性下降。因此，如果采用树脂绝缘基板，通常需要更大的散热系统才能保持碳化硅的高性能，因此不适用于新能源汽车等体积要求更高的应用场景。

但是，与陶瓷绝缘基板相比，树脂绝缘基板具有成本低、耐热疲劳、预期寿命长等优势，但是东芝已经设法解决了这个劣势问题。

东芝分析认为，碳化硅模块采用树脂绝缘基板之所以热阻高，是因为碳化硅芯片的散热面积太小。

东芝的解决方法分为2步：

第一步：减小模块中SiC芯片尺寸，但增加芯片数量，因此可以扩大散热面积，从而提高热阻。

第二步：如果碳化硅芯片位置不当，散热区域会产生干扰，无法有效地扩大散热面积。此外，增加芯片数量会增加碳化硅模块的设计参数，难以实现将寄生电阻和开关损耗等电气特性与热特性相结合的综合优化设计。

因此，东芝利用自主研发的AI优化算法，对碳化硅芯片的配置、芯片搭载的铜箔图案的布局等模块的设计参数进行了优化，成功改善了热阻、寄生电阻、开关损耗，同时在芯片数量增加的情况下扩大了最大散热面积。

据东芝透露，高热阻是树脂绝缘SiC功率模块面临的一个问题，而他们的技术不仅大幅改善了热阻，还改善了寄生电阻和开关损耗，其性能实际上超越了陶瓷绝缘SiC功率模块。

数据显示，与以往的陶瓷绝缘SiC功率模块相比，东芝的树脂绝缘SiC功率模块的热阻降低了21%，寄生电阻降低了21%，开关损耗降低了19%。

基于这些结果，东芝估算了采用该模块的常用逆变器冷却系统尺寸的缩小效果，并试算得出冷却系统尺寸可缩小61%。

东芝计划持续研发该技术，着眼于将其扩展到不同额定电流和耐压的碳化硅模块，并力争实现早日实际应用。

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本文发自【行家说三代半】，专注第三代半导体（碳化硅和氮化镓）行业观察。

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