基于微型TEC的碳化硅MOSFET的集成散热技术研究

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与传统的硅(Si)材料相比,碳化硅(SiC)材料因具有宽禁带、高介电常数、高热导率、高击穿电压等特点,使碳化硅器件受到了学术界和工业领域的广泛研究与关注。其中以SiC功率MOSFET为代表的电力电子器件,具有低导通电阻、耐高压、高开关频率和耐高温等优点,因此在现代大功率开关设备以及高性能电力电子装置的应用中备受青睐。但不可忽视的是,功率性能的提升随之带来的是功率密度的增大,使功率器件在工作过程中产生更多的热量。即使是具有耐高温特性的SiC MOSFET,长时间工作在高温环境中,器件的动、静态性能依然会受到影响。目前SiC MOSFET所需的高温封装技术还不成熟,芯片结温过高将导致芯片内部和器件封装的微结构承受更加显著的热失配应力,导致器件故障和失效。在SiC MOSFET缺乏可靠的高温封装技术的情况下,寻找一种合理有效的散热方式成为了 SiC MOSFET发展的必然选择。针对以上问题,本文对SiC MOSFET采用热电制冷技术进行热管理展开研究。通过自主设计与制备微型热电制冷器(TEC)的方式,对含有微型TEC的SiC MOSFET进行集成封装。首先采用解析计算和有限元计算的形式对微型TEC的热电偶臂结构参数进行设计,并分析电极焦耳热效应作为非理想因素时产生的影响,确定了各项结构参数的尺寸范围。然后采用半导体微加工技术进行微型TEC单对热电偶臂的制备,验证了结构设计方案在制备工艺上的可行性。最后将完整的微型TEC与SiC MOSFET的裸芯片进行封装,并对封装完成的SiC MOSFET进行温度测试和电学性能测试。实验结果表明,微型TEC工作时能够减小SiC MOSFET的芯片表面温度和壳温,同时能够减小导通电阻,降低导通损耗,但是对开关损耗影响却不大。整体研究表明,集成封装的微型TEC在一定程度上能够对SiC MOSFET起到热管理的作用,并能够减小SiC MOSFET的导通损耗。
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