Geniş bant aralıklı silisyum karbür tabanlı mosfet alt-modül tasarımı
Wide bandgap silicon carbide based mosfet sub-module design
Yazar: AHMET FURKAN TUNCER
Danışman: DOÇ. DR. DİNÇER GÖKCEN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Geniş bant aralığına sahip yarıiletkenlerden olan silisyum karbür (SiC) tabanlı anahtarların silisyum (Si) tabanlı anahtarlara göre yüksek sıcaklıklarda çalışabilme, yüksek termal iletkenlik, yüksek bozulma gerilimi gibi birçok avantajı bulunmaktadır. Bu üstün özellikleriyle daha verimli, hacim ve ağırlık açısından da daha küçük sistemler elde edilmektedir. Bu avantajları sayesinde elektrikli araçlar, şarj istasyonları, yenilenebilir enerji ve raylı araç uygulamaları gibi birçok alanda silisyum karbür bileşiğinin kullanımı artarak devam etmektedir. SiC tabanlı anahtarların yonga bağlama, tel bağlama gibi paketleme çalışmaları sonucu SiC MOSFET modül oluşturulmaktadır. Paketleme teknolojisi de anahtarın çalışma sıcaklığını, frekansını, güç kayıplarını ve elektromanyetik bağışıklılığını belirlediği için silisyum karbürden tam performans alınabilmesi için paketleme teknolojisinin geliştirilmesi önemlidir. Tez çalışması kapsamında modül paketleme yapısına uygun alt modül tasarımı ve simülasyon faaliyetleri tamamlanmıştır. Devamında da kullanıma hazır ticari SiC MOSFET ve SiC diyot yongaları temin edilip üretimi gerçekleştirilmiştir. Alt modül üretimi sırasında çift tarafı bakır kaplı Al2O3 seramik alt katmanın bakır yolları lazer kazıma cihazıyla oluşturulup yonga bağlama işlemleri yapılmıştır. Yonga ile dış arayüz arasındaki elektriksel bağlantılarında 1mil altın tel kullanılarak tel bağlama işlemi gerçekleştirilip izolasyon (kapsülleme) malzemesinin uygulanmasıyla alt modülün çalışma gerilimi yükseltilmiştir. Elde edilen alt modülün akım-gerilim karakteristiklerinin çıkarılmasının yanında kaçak akım testi, Rds(on) direncinin ölçülmesi gibi testlerle tasarım doğrulamaları gerçekleştirilmiştir. Ardından çift darbe test devresi ile üretilen alt modülün farklı kapı sürme dirençleriyle 600V ve 800V gerilimler altında testler yapılmıştır. Test verileri kullanılarak anahtarlama süreleri ve anahtarlama kayıpları hesaplanıp grafikler oluşturulmuştur. Testler sonucunda 20 Ω kapı sürme direncinde toplam iletime girme süresi (ton) 132ns, toplam iletimden çıkma süresi (toff) 90ns, 800V/20A altındaki iletime giriş kaybı (Eon) 636.3μJ ve iletimden çıkış kaybı (Eoff) 304.1μJ; 5 Ω kapı sürme direncinde toplam iletime girme süresi (ton) 54ns, toplam iletimden çıkma süresi (toff) 59ns, 800V/20A altındaki iletime giriş kaybı (Eon) 197.8μJ ve iletimden çıkış kaybı (Eoff) 190.8μJ olarak hesaplanmıştır. Alt modülden alınan ölçüm sonuçlarıyla aynı SiC MOSFET yongayı kullanan fakat ayrık paket yapısıyla üretilmiş C3M0075120J anahtarın veri sayfasındaki değerlerle karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Silicon carbide (SiC) based devices, which are an example of wide bandgap semiconductors, have several advantages over silicon (Si) based devices, such as operating at high temperatures, high thermal conductivity, and high breakdown voltage. With these superior features, more efficient and smaller systems in volume and weight are obtained. Thanks to these advantages of silicon carbide compounds, their usage is increasing in various fields such as electric vehicles, charging stations, renewable energy, and railway applications. SiC MOSFET module is formed through packaging processes of bare dies such as die bonding and wire bonding. The packaging technology plays a crucial role in determining the device's operating temperature, frequency, power losses and electromagnetic immunity to achieve full performance from silicon carbide. In this thesis study, sub-module design and simulation activities suitable for the module packaging structure have been completed. Subsequently, commercial off-the-shelf SiC MOSFET and SiC diode dies were obtained, and sub-module production was carried out. During sub-module production, a double-sided copper-coated Al2O3 ceramic substrate was utilized, and copper paths were created with a laser-engraving device. Then, the die bonding operation was performed. For the electrical connections between the die and the external interface, the wire bonding process was performed using 1 mil gold wire. The sub-module's operating voltage was increased by applying insulation (encapsulation) material. In addition, the current-voltage characteristics of the obtained sub-module were extracted, and tests such as leakage current test and Rds(on) resistance measurement were carried out for design verifications. The test data were obtained from the sub-module produced with the double pulse test circuit under 600V and 800V, and with different gate drive resistors. Using these data, switching times and switching losses were calculated, and graphs were plotted. As a result of the tests, at 20 Ω gate drive resistor, the total turn-on time (ton) was 132ns, the total turn-off time (toff) was 90ns, the turn-on loss (Eon) under 800V/20A was 636.3μJ, and the turn-out loss (Eoff) was 304.1μJ. At a 5 Ω gate drive resistor, the total turn-on time (ton) was calculated as 54ns, the total turn-off time (toff) was calculated as 59ns, the turn-on loss (Eon) under 800V/20A was 197.8μJ, and the turn-off loss (Eoff) was calculated as 190.8μJ. The measurement results obtained from the submodule were compared with the values in the datasheet of the C3M0075120J switch, which uses the same SiC MOSFET chip but is produced with a discrete package structure.