美国密歇根大学（UM）的耐高温SiC项目赢得高达750万美元的资助

上图：来自NASA Glenn研究中心的高温陶瓷封装SIC芯片。

密歇根大学的研究人员正在领导一项合作努力，将更多由SiC制成的耐热传感和计算芯片推向市场，用于先进的飞机、电动和燃气动力汽车、可再生能源、国防和太空探索。该项目由Silicon Crossroads Microelectronics Commons Hub 资助，初始资金为240万美元，三年内可能获得高达750万美元的资金。

几十年来，NASA格伦（Glenn）研究中心的工程师一直在研究SiC的潜力。着眼于探索金星表面，他们构建了一个可以承受500°C数千小时的SiC电路。NASA Glenn研究中心还展示了可在-190°C 至 812°C 的1,000°C温度范围内运行的封装器件，与航空航天领域相关。

研究人员表示，虽然SiC越来越多地用于电动汽车、太阳能和风能系统的电力电子领域，但这些应用并未充分利用其对极端条件的弹性。新项目将把NASA 的技术和制造工艺扩大到现代晶圆尺寸，并使SiC芯片设计变得更加简单。

与NASA合作的合作伙伴包括位于纽约州Niskayuna的GE航空航天研究公司Ozark Integrated Circuits（Ozark IC），一家位于阿肯色州Fayetteville的科技公司，以及总部位于北卡罗来纳州的半导体制造商Wolfspeed。

该项目将专注于航空航天，包括使飞机发动机更可靠并帮助优化其尺寸、重量和功率的电子设备和传感器。一个关键目标是演示用于航空航天或发动机应用的封装制动器，该制动器可以将电信号转换为机械运动。

“NASA、GE Aerospace和Ozark IC在开发这项技术方面做得非常出色，这对各种应用都非常有影响。该项目将为推进该技术并将其商业化提供一条关键途径，”首席研究员、电气和计算机工程副教授兼UM Lurie纳米制造设施主任 Becky Peterson 说。

在该项目中，NASA Glenn研究中心和GE Aerospace将合作，在100至150毫米晶圆的高温SiC JFET制造工艺上进行扩展。

“基于SiC的高温电子器件将成为提供新传感器和执行器功能的关键推动因素，从而提高未来DoD发动机平台的能力。除了喷气发动机之外，处理更多极端温度能力的能力可能会为高超音速应用的控制和传感开辟令人兴奋的新应用，”GE 航空航天研究中心控制和电气系统平台负责人Aaron Knobloch说。

Ozark IC多年来一直通过NASA小企业创新研究计划和许可办公室与NASA Glenn研究中心合作，将支持封装、集成和流程商业化。Ozark IC已经展示了一条将技术与先进封装集成到800°C以上应用的路径。该计划建立在Ozark IC与美国宇航局现有的国防部合作的基础上，DARPA支持将SiC JFET-R技术过渡到GE宇航在纽约的100毫米晶圆工厂，并通过DARPA高工作温度传感器（HOTS）计划将其应用于航空航天传感。

SiC专家Wolfspeed将凭借其在SiC外延方面的深厚专业知识和能力，为这些器件提供必要的SiC晶圆。此外，Wolfspeed将与团队就商业化设计进行磋商。

Michigan Engineering的研究人员将改进和标准化工艺开发套件和晶体管模型。他们将创建常用电路模块库，使集成电路设计人员更容易使用SiC技术。Peterson说：“我们将测试由NASA和GE Aerospace制造并由Ozark IC封装的器件和电路，并共同努力使这些部件标准化。我们将使用这些数据创建工艺开发套件和开放式电子设计自动化或开放式 EDA 软件，这些软件可以帮助实现集成电路设计的自动化，并对其性能进行建模。我们希望开发先进的精细模型，以便未来的用户拥有利用这项令人兴奋的技术设计和制造商业产品所需的所有工具。”

为此，由UM电气和计算机工程教授David Wentzloff领导的团队将采用他们为设计模拟和混合信号电路开发的独特开源工具。虽然用于数字电路的开源设计工具越来越普遍，但UM将它们带入了模拟领域，以在SiC芯片上实现模拟和数字系统。“我们的系统与以前的其它模拟电路设计自动化工具不同，”Wentzloff 说：“主要区别在于，我们建立在非常成熟的数字设计自动化工具之上，简而言之，使用数字设计自动化工具设计的模拟电路。这加快了模拟和混合信号电路的设计速度，使各种设计人员更容易使用它。不再需要高度专业化的模拟电路设计技能。”

当今发动机控制系统中使用的硅基电子设备仅限于125°C，必须通过复杂而沉重的冷却系统或位于发动机的较凉爽区域进行隔热保护。SiC电子器件可以在发动机及其排气系统内的高温区域工作。本项目中建立的技术将实现新的传感器和执行器功能、灵活的模块化控制系统、更轻的重量和更简单的发动机电气系统架构。由于SiC能够处理极端温度，SiC电子还可以推动新兴的高超音速飞机系统，这些系统在远超硅能力的温度下运行。

“使用350-500oC SiC电子系统提高发动机可靠性和SWAP”项目是美国国防部通过CHIPS法案设立的微电子共享计划于2024年资助的34个技术项目之一。