碳化硅（SiC)的未來前景會怎樣?
2020-04-07 12:52:59 EETOP編譯自allaboutcircuits隨著電動汽車，可再生能源和5G等行業(yè)的創(chuàng)新步伐迅速提高，以滿足消費者和行業(yè)的需求，電力工程師越來越多地尋求新的解決方案，以在效率，成本節(jié)省和功能方面取得優(yōu)勢。
費迪南德·亨利·莫桑博士（Ferdinand Henri Moissan）于1893年在亞利桑那州的隕石殘余物中發(fā)現(xiàn)了這種材料。如今，寶石可以由碳化硅形成，碳化硅與鉆石難以區(qū)分，甚至更耐高溫。而碳化硅（SiC）晶片是一種非常成功的新型半導(dǎo)體產(chǎn)品-也許晶圓廠技術(shù)人員會關(guān)注SiC“晶體棒”，并想知道使用這種材料的器件的下一步是什么？
讓我們回顧一下SiC技術(shù)的現(xiàn)狀以及與傳統(tǒng)硅解決方案的競爭優(yōu)勢。圖1顯示了與硅相比的基本材料特性-靠近邊緣的值更好。
這里總結(jié)一下SiC的優(yōu)點：帶隙更寬、臨界擊穿電壓更高、電子速度更高、開關(guān)速度更快。對于給定的額定電壓，管芯尺寸可以小得多，從而具有低導(dǎo)通電阻，再加上更好的導(dǎo)熱性，從而可以降低損耗并降低運行溫度。較小的裸片尺寸還減少了器件電容，從而降低了開關(guān)損耗，而SiC固有的高溫性能反而降低了熱應(yīng)力。
當(dāng)作為碳化硅場效應(yīng)晶體管(SiC FET)實現(xiàn)時，使用UnitedSiC JFET與Si-MOSFET共同封裝的的共源共柵，實現(xiàn)了一個常開型器件，具有快速、低損耗的體二極管、高雪崩能量額定值和短路條件下的自限流。SiC FET具有易于柵極驅(qū)動的特性，可與老式Si-MOSFET甚至IGBT兼容，因此，通過提供兼容的封裝，可以輕松地從較早的器件類型進行升級。
對于高開關(guān)頻率應(yīng)用，現(xiàn)在還提供扁平的DFN8x8封裝，可最大程度地減小引線電感，因此非常適合諸如LLC和相移全橋轉(zhuǎn)換器之類的硬開關(guān)和軟開關(guān)應(yīng)用。
使用該技術(shù)，UnitedSiC UF3C系列器件突破了障礙，這是首款采用凱爾文4引腳TO-247封裝，在1200V類器件中RDS（ON）低于10毫歐的SiC FET。門連接。
UnitedSiC中使用的SiC晶圓已發(fā)展到六英寸的尺寸，其規(guī)模經(jīng)濟性使其可與硅的價格水平保持一致，并用于大眾市場應(yīng)用以及尖端的創(chuàng)新產(chǎn)品。
SiC場效應(yīng)晶體管已接近理想開關(guān)，但市場仍有更高的要求；電動汽車逆變器需要最佳的效率，以提高驅(qū)動范圍；數(shù)據(jù)中心/5G應(yīng)用中的高功率DC-DC以及AC-DC轉(zhuǎn)換器必須盡可能少的耗散功率，以最大限度地減少能量損失、占地面積和成本；工業(yè)界希望更小、更高效的電機驅(qū)動器能更好地利用工廠空間等待。SiC的其他新應(yīng)用也已經(jīng)開發(fā)出來，可以利用SiC的一些優(yōu)勢-例如，固態(tài)斷路器現(xiàn)在可以在大電流水平下實現(xiàn)非常低的損耗，甚至線性電源電路（如電子負載），都可以通過SiC器件的安全工作區(qū)(SOA)擴展來獲得更好的效果。
隨著系統(tǒng)工程師認識到在節(jié)省能源和硬件成本的同時可以減少尺寸和提高冷卻效果，他們希望擁有更多相同的器件，以及具有更廣泛應(yīng)用的設(shè)備，例如更高的電壓和電流額定值以及更多的封裝選項。
顯然，SiC比其他開關(guān)類型的關(guān)鍵FOM有了很大的改進，但是要想獲得更好的性能，還有多大的空間？還需要考慮其他參數(shù)，這些參數(shù)可能會與FOM的改進相抵消。如圖2，箭頭表示了更好性能的運動方向。BV是臨界擊穿電壓，COSS是輸出電容，Qrr是反向恢復(fù)電荷，ESW是開關(guān)能量損失，二極管浪涌是體二極管效應(yīng)峰值電流額定值，SCWT是短路耐受額定值，UIS是非箝位電感開關(guān)額定值，RthJ-C是外殼熱阻。
圖2.SiC FET的特性及其演變方向（ 藍色表示現(xiàn)在，橙色表示未來）
有些特性可以相互促進，例如較小的晶粒尺寸可以降低COSS，從而降低ESW；而其他特性則是一種權(quán)衡，例如，減小晶粒體積可能導(dǎo)致UIS能量額定值降低。不過，峰值雪崩電流不會受到影響，這是典型的低能量雜散電感相關(guān)的過沖或雷電測試結(jié)果。
然而，在封裝設(shè)計上的改進有很大的空間，可以看到RSD(ON)。與顯著縮小的芯片減半。那么COSS也會以同樣的比例下降，ESW相應(yīng)的下降。隨著RDS(ON)的相應(yīng)改進，更薄的裸片也是可能的，但UnitedSiC相信，這不會以犧牲額定電壓為代價，因為隨著750V的新標(biāo)準電壓等級的提高，額定電壓將向1700V上升。
挑戰(zhàn)還在前面，例如需要起始材料趨向于零缺陷和完美的平面度，但是在每個晶圓片上的裸片數(shù)量和“交叉”方面，成品率一直在不斷提高。請記住，SiC仍然是一種相對年輕的技術(shù)，處于其發(fā)展曲線的起點，就像之前的MOSFET一樣，它在未來的成本和性能方面具有顯著的改進前景。
隨著SiC FET器件的改進和擴展到不同的應(yīng)用領(lǐng)域，可以預(yù)料封裝類型也將擴大。
目前，TO-247封裝很受歡迎，因為它們可以作為某些MOSFET和IGBT的直接替代品，并且許多類型是四引線的，包括用于柵極驅(qū)動的開爾文連接。這有助于克服源極引線電感的影響，否則會導(dǎo)致漏極-源極di/dt較高而導(dǎo)通。D2PAK-3L和-7L以及TO-220-3L，TO247以及最近從UnitedSiC推出的表面貼裝薄型DFN8x8封裝均經(jīng)過優(yōu)化，以最小的封裝電感實現(xiàn)了高頻工作。
將來，將提供其他SMD封裝，其中大多數(shù)采用銀燒結(jié)模壓連接，以獲得更好的熱性能。模塊中的多個SiC裸片也將變得更加廣泛，單個裸片的額定電壓可能高達1200V，而使用堆疊式 "超級級聯(lián) "安排的6000V或更高的額定電壓，以實現(xiàn)極高的功率。這些產(chǎn)品將被用于固態(tài)變壓器、MV-XFC快速充電器、風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)、牽引和HVDC。
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