อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC: Silicon carbide ) กลาย เป็นส่วนประกอบสำคัญในระบบการแปลงแรงดันไฟฟ้าสูง มีคุณสมบัติเด่นด้าน ระดับแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่สามารถทนได้ ความถี่ในการสวิตช์ที่สูง และความสามารถ ในการทนต่ออุณหภูมิบริเวณจุดเชื่อมต่อที่ยอดเยี่ยม เมื่อเทียบกับอุปกรณ์ซิลิคอน แบบดั้งเดิม ด้วยค่า Energy bandgap 3.26 eV และเทียบกับ 1.12 eV ของซิลิคอน อุปกรณ์จาก SiCสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิบริเวณ junction สูงกว่า 400°C จึง รองรับความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าได้อย่างที่ไม่เคยมีมาก่อนในแอปพลิเคชันต่างๆ ตั้งแต่อินเวอร์เตอร์สำหรับระบบขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้าไปจนถึงตัวแปลงไฟแรงดัน ระดับปานกลางที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ข้อได้เปรียบด้าน ความร้อนนี้ซ่อนจุดอ่อนที่สำคัญไว้ ซึ่งก็คือ กลไก หรือ กระบวนการที่ช่วยให้อุปกรณ์ ทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงอาจนำไปสู่การลัดวงจรจากความร้อนอย่างรุนแรงภายใต้เงื่อนไขเฉพาะ ดังนั้น พารามิเตอร์ในเอกสารข้อมูลจำเพาะ  (Data Sheet)  แม้จำเป็น สำหรับการออกแบบเบื้องต้น แต่ก็ไม่เพียงพอสำหรับการคาดการณ์ต่อห้วงเวลา และความล้มเหลวในสภาพแวดล้อมการทำงานจริง ซึ่งพลวัตทางไฟฟ้าและ ความร้อนได้ สร้างสภาวะความเครียดทางกลต่ออุปกรณ์ และยากต่อการวิเคราะห์ แบบทั่วไป

ความไม่เสถียรทางความร้อนในอุปกรณ์ SiC

การเกิดความร้อนสูงที่เกินควบคุมในสารกึ่งตัวนำ SiC เกิดขึ้นจากปฏิกิริยา ตอบสนองเชิงบวกระหว่างอุณหภูมิบริเวณ junction และการสูญเสียพลังงาน ต่างจากซิลิคอน IGBT ซึ่งแสดงค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบในกระแส คอลเลคเตอร์  MOSFET ของ SiC ด้วยการพึ่งพาอุณหภูมิเชิงบวกในความ ต้านทานขณะเปิด โดยทั่วไปอธิบายความสัมพันธ์ดังสมการต่อไปนี้

 Pcond = ID, rms² × RDS (on)( Tj) 

เมื่ออุณหภูมิบริเวณ junction เพิ่มขึ้น RDS(on) ความต้านทานขณะเปิด ก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย จึงเกิดการสูญเสียการนำไฟฟ้ามากขึ้น ส่งผลให้ในวงจร อุณหภูมิสูงขึ้น ลักษณะนี้เป็นอันตรายอย่างยิ่งต่อแอปพลิเคชันแรงดันสูง งานวิจัย ที่ตรวจสอบ JFET ของ SiC ได้กล่าวถึง กระบวนการกลไกที่ล้มเหลวมีลักษณะ 2 ประการที่ต่างกันดังนี้

1. การสูญเสียการควบคุมเกต แก้ไขได้ด้วยการออกแบบไดรเวอร์ที่เหมาะสม 
2. การเกิดความร้อนสูงเกินควบคุมที่เกิดจากการสูญเสียการนำไฟฟ้า

ลักษณะดังกล่าวสามารถพิสูจน์ได้แล้วว่า เกิดจากความร้อนสูงเกินควบคุม ที่สูญเสียการนำไฟฟ้ารุนแรงกว่าและป้องกันได้ยากกว่าที่คาดการณ์ไว้ อุณหภูมิที่ จุดเชื่อมต่อทำให้เกิดความไม่เสถียรจะขึ้นอยู่กับ ความต้านทานความร้อน ความสามารถของระบบระบายความร้อน และการพึ่งพาอุณหภูมิเฉพาะของความ ต้านทานแบบ parasitic resistances ภายในโครงสร้างของอุปกรณ์

สถาปัตยกรรมของอุปกรณ์และความเสี่ยงต่อการเกิดภาวะความร้อนสูงเกิน การควบคุม

พื้นฐานการสร้างอุปกรณ์มีอิทธิพลอย่างมากต่อแนวโน้มการเกิดภาวะความร้อนสูงเกินควบคุมต่อส่วนประกอบของ SiC ในการศึกษาการเปรียบเทียบไดโอด SiC เผยให้เห็นว่า โครงสร้าง Schottky แบบขั้วเดียว แสดงถึงความไม่เสถียรทาง ความร้อน ในขณะที่โครงสร้าง Merged PiN-Schottky (MPS) แสดงให้เห็น ถึงความทนทานที่เพิ่มขึ้นผ่านการปรับเปลี่ยนค่าการนำไฟฟ้าที่ช่วยลดความต้านทานแบบอนุกรมที่มีความหนาแน่นกระแสสูง  ส่วน PiN Junction ภายในอุปกรณ์ MPS ทำงานภายใต้สภาวะการใส่กระแสไฟฟ้าที่สูง ทำให้บริเวณที่เกิดการดริฟต์ เต็มไป ด้วยตัวพาประจุส่วนน้อย (Minority Carriers ) และสามารถลดความต้านทานลง ได้อย่างแม่นยำ เมื่อเกิดการย้อนกลับทางความร้อน อย่างไรก็ตาม กลไกการป้องกัน นี้จะทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพก็ต่อเมื่อความต้านทานความร้อนยังคงอยู่ในระดับต่ำ กล่าวคือ ความต้านทานความร้อนต่อบริเวณเชื่อมต่อที่มากจะป้องกันไม่ให้ PiN junction ทำงานก่อนเกิดสภาวะความร้อนสูงเกินควบคุม 

ความสัมพันธ์ระหว่างการออกแบบความร้อนของบรรจุภัณฑ์และโครงสร้างทางฟิสิกส์ภายในของอุปกรณ์นี้แสดงให้เห็นว่า เหตุใดข้อกำหนดในเอกสารข้อมูล ซึ่ง     โดยทั่วไปวัดภายใต้สภาวะอุณหภูมิคงที่ที่ควบคุมได้ จึงไม่สามารถแสดงประสิทธิ ภาพภาคสนามได้อย่างเพียงพอ เนื่องจากความต้านทานความร้อนจะแปรผัน ไปตามการเสื่อมสภาพของระบบระบายความร้อน ความผันผวนของอุณหภูมิแวดล้อม และโปรไฟล์การโหลดแบบไดนามิก

กลไกความล้มเหลวที่เกิดขึ้นในระดับระบบ

การเกิดความร้อนสูงเกินควบคุมในตัวแปลง SiC แรงดันสูง แสดงออกผ่าน เส้นทางความล้มเหลวของอุปกรณ์ที่เกี่ยวโยงกันหลายเส้นทาง ซึ่งขยายออกไป นอกเหนือตัวชิปเซมิคอนดักเตอร์เอง การเสื่อมสภาพของสายเชื่อมต่อ โดยเฉพาะ สายเชื่อมต่ออะลูมิเนียมแบบดั้งเดิม จะเร่งกระบวนการให้เกิดขึ้นภายใต้การเปลี่ยน แปลงอุณหภูมิ เนื่องจากความไม่ตรงกันของสัมประสิทธิ์ การขยายตัวทางความร้อน ทำให้เกิดความเครียดทางกลที่ส่วนต่อประสาน โซลูชันการเชื่อมต่อขั้นสูง สายเชื่อม ต่อทองแดงและดีไซน์แบบไร้บัดกรีเข้ามาช่วยแก้ไขจุดอ่อนนี้ แต่ก็นำข้อควร พิจารณาด้านการจัดการความร้อนแบบใหม่มาให้แก้ไขด้วย นอกจากนี้วัสดุยึดชิป ก็เป็นปัญหาวิกฤตเช่นเดียวกัน บัดกรี SAC แบบดั้งเดิมจะเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็ว ที่อุณหภูมิการทำงานของ SiC จึงต้องนำเทคโนโลยีการเผาผนึกเงิน (Silver Sintering Technologies)เพื่อรักษาความสมบูรณ์ได้เกิน 200°C มาใช้ การแตกร้าวของพื้นผิวในวัสดุเซรามิก เช่น อะลูมิเนียมไนไตรด์ เกิดขึ้นเมื่อ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วทำให้เกิดการขยายตัวที่แตกต่างกันระหว่างชั้น ในขณะที่เกิด package voiding ในวัสดุเชื่อมต่อความร้อน จะลดประสิทธิภาพการ ระบายความร้อนลงเรื่อยๆ ทำให้อุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อเพิ่มขึ้น และนำไปสู่ สภาวะการเกิดความร้อนสูงเกินควบคุม 

กลไกความล้มเหลวเหล่านี้ทำงานร่วมกันอย่างมีประสิทธิภาพกับปฏิกิริยาตอบสนอง ทางความร้อนของเซมิคอนดักเตอร์ ทำให้เกิดเส้นทางการเสื่อมสภาพ ที่เร่ง ตัวขึ้นอย่างรวดเร็วแบบ Non-Linear

สรุป

การเกิดภาวะความร้อนสูงเกินควบคุม (Thermal runaway) ในตัวแปลง SiC แรงดันสูง เป็นความล้มเหลวที่ไม่สามารถคาดการณ์ได้ ด้วยพารามิเตอร์ในเอกสาร ข้อมูลแบบดั้งเดิม (Data Sheet) เพียงอย่างเดียว ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงบวก ของความต้านทานขณะเปิด (On-resistance) ใน SiC MOSFET ทำให้เกิดวงจร ย้อนกลับภายใน ซึ่งเมื่อรวมกับการเสื่อมสภาพของบรรจุภัณฑ์ (Package) ข้อจำกัดของระบบระบายความร้อน และการโหลดแบบไดนามิก ทำให้เกิดความ ล้มเหลวร้ายแรงภายใต้สภาวะที่ดูเหมือนปลอดภัยจากการวิเคราะห์ด้วยสภาวะคงที่ การคาดการณ์ที่แม่นยำต้องอาศัยการจำลองทางไฟฟ้าและความร้อนแบบคู่ขนาน ซึ่งรวมถึงรายละเอียดเฉพาะของสถาปัตยกรรมอุปกรณ์ เครือข่ายความต้านทาน ความร้อนของบรรจุภัณฑ์ และพลวัตการระบายความร้อนระดับระบบ ในขณะที่ เทคโนโลยี SiC ยังคงแพร่หลายในแอปพลิเคชันแรงดันปานกลางตั้งแต่ 3.3 kV ถึง 40 kV ช่องว่างระหว่างข้อกำหนดในเอกสารข้อมูล และความน่าเชื่อถือในภาคสนาม จะกว้างขึ้น นอกเสียจากมีการออกแบบวิธีการรองรับความสัมพันธ์ที่ซับซ้อน ซึ่งควบคุมเสถียรภาพทางความร้อน อนาคตของการแปลง SiC แรงดันสูงไม่ได้ อยู่ที่การเพิ่มอุณหภูมิบริเวณเชื่อมต่อที่กำหนดให้สูงที่สุด แต่เป็นการทำความเข้าใจ และควบคุมขอบเขตพารามิเตอร์ต่างๆ แบบไดนามิกที่ต้องมีความเสถียรอยู่ตลอด อายุการใช้งานของตัวแปลง