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碳化硅(SiC)的未来前景会怎样?

2020-04-07 12:52:59 来源:EETOP编译自allaboutcircuits

仅在过去的三年中,作为一种半导体技术,碳化硅(SiC)已经发展到可以与硅竞争的水平。如今,碳化硅已进入第三代产品,其性能随着越来越多的应用而增加。 

随着电动汽车,可再生能源和5G等行业的创新步伐迅速提高,以满足消费者和行业的需求,电力工程师越来越多地寻求新的解决方案,以在效率,成本节省和功能方面取得优势。 

费迪南德·亨利·莫桑博士(Ferdinand Henri Moissan)于1893年在亚利桑那州的陨石残余物中发现了这种材料。如今,宝石可以由碳化硅形成,碳化硅与钻石难以区分,甚至更耐高温。而碳化硅(SiC)晶片是一种非常成功的新型半导体产品-也许晶圆厂技术人员会关注SiC“晶体棒”,并想知道使用这种材料的器件的下一步是什么? 

第三代SiC技术

让我们回顾一下SiC技术的现状以及与传统硅解决方案的竞争优势。图1显示了与硅相比的基本材料特性-靠近边缘的值更好。 

图1. Si和SiC材料特性的比较。

这里总结一下SiC的优点:带隙更宽、临界击穿电压更高、电子速度更高、开关速度更快。对于给定的额定电压,管芯尺寸可以小得多,从而具有低导通电阻,再加上更好的导热性,从而可以降低损耗并降低运行温度。较小的裸片尺寸还减少了器件电容,从而降低了开关损耗,而SiC固有的高温性能反而降低了热应力。

当作为碳化硅场效应晶体管(SiC FET)实现时,使用UnitedSiC JFET与Si-MOSFET共同封装的的共源共栅,实现了一个常开型器件,具有快速、低损耗的体二极管、高雪崩能量额定值和短路条件下的自限流。SiC FET具有易于栅极驱动的特性,可与老式Si-MOSFET甚至IGBT兼容,因此,通过提供兼容的封装,可以轻松地从较早的器件类型进行升级。

对于高开关频率应用,现在还提供扁平的DFN8x8封装,可最大程度地减小引线电感,因此非常适合诸如LLC和相移全桥转换器之类的硬开关和软开关应用。

使用该技术,UnitedSiC UF3C系列器件突破了障碍,这是首款采用凯尔文4引脚TO-247封装,在1200V类器件中RDS(ON)低于10毫欧的SiC FET。门连接。 

UnitedSiC中使用的SiC晶圆已发展到六英寸的尺寸,其规模经济性使其可与硅的价格水平保持一致,并用于大众市场应用以及尖端的创新产品。 

进一步改善SiC FET的驱动能力

SiC场效应晶体管已接近理想开关,但市场仍有更高的要求;电动汽车逆变器需要最佳的效率,以提高驱动范围;数据中心/5G应用中的高功率DC-DC以及AC-DC转换器必须尽可能少的耗散功率,以最大限度地减少能量损失、占地面积和成本;工业界希望更小、更高效的电机驱动器能更好地利用工厂空间等待。SiC的其他新应用也已经开发出来,可以利用SiC的一些优势-例如,固态断路器现在可以在大电流水平下实现非常低的损耗,甚至线性电源电路(如电子负载),都可以通过SiC器件的安全工作区(SOA)扩展来获得更好的效果。

随着系统工程师认识到在节省能源和硬件成本的同时可以减少尺寸和提高冷却效果,他们希望拥有更多相同的器件,以及具有更广泛应用的设备,例如更高的电压和电流额定值以及更多的封装选项。

碳化硅改良参数

显然,SiC比其他开关类型的关键FOM有了很大的改进,但是要想获得更好的性能,还有多大的空间?还需要考虑其他参数,这些参数可能会与FOM的改进相抵消。如图2,箭头表示了更好性能的运动方向。BV是临界击穿电压,COSS是输出电容,Qrr是反向恢复电荷,ESW是开关能量损失,二极管浪涌是体二极管效应峰值电流额定值,SCWT是短路耐受额定值,UIS是非箝位电感开关额定值,RthJ-C是外壳热阻。 

图2.SiC FET的特性及其演变方向( 蓝色表示现在,橙色表示未来)

有些特性可以相互促进,例如较小的晶粒尺寸可以降低COSS,从而降低ESW;而其他特性则是一种权衡,例如,减小晶粒体积可能导致UIS能量额定值降低。不过,峰值雪崩电流不会受到影响,这是典型的低能量杂散电感相关的过冲或雷电测试结果。

然而,在封装设计上的改进有很大的空间,可以看到RSD(ON)。与显著缩小的芯片减半。那么COSS也会以同样的比例下降,ESW相应的下降。随着RDS(ON)的相应改进,更薄的裸片也是可能的,但UnitedSiC相信,这不会以牺牲额定电压为代价,因为随着750V的新标准电压等级的提高,额定电压将向1700V上升。

挑战还在前面,例如需要起始材料趋向于零缺陷和完美的平面度,但是在每个晶圆片上的裸片数量和“交叉”方面,成品率一直在不断提高。请记住,SiC仍然是一种相对年轻的技术,处于其发展曲线的起点,就像之前的MOSFET一样,它在未来的成本和性能方面具有显著的改进前景。

SiC封装的演变 

随着SiC FET器件的改进和扩展到不同的应用领域,可以预料封装类型也将扩大。

目前,TO-247封装很受欢迎,因为它们可以作为某些MOSFET和IGBT的直接替代品,并且许多类型是四引线的,包括用于栅极驱动的开尔文连接。这有助于克服源极引线电感的影响,否则会导致漏极-源极di/dt较高而导通。D2PAK-3L和-7L以及TO-220-3L,TO247以及最近从UnitedSiC推出的表面贴装薄型DFN8x8封装均经过优化,以最小的封装电感实现了高频工作。

将来,将提供其他SMD封装,其中大多数采用银烧结模压连接,以获得更好的热性能。模块中的多个SiC裸片也将变得更加广泛,单个裸片的额定电压可能高达1200V,而使用堆叠式 "超级级联 "安排的6000V或更高的额定电压,以实现极高的功率。这些产品将被用于固态变压器、MV-XFC快速充电器、风能发电系统、牵引和HVDC。
 

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