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碳化硅(SiC)的未來前景會怎樣?

2020-04-07 12:52:59 來源:EETOP編譯自allaboutcircuits

僅在過去的三年中,作為一種半導體技術,碳化硅(SiC)已經發展到可以與硅競爭的水平。如今,碳化硅已進入第三代產品,其性能隨著越來越多的應用而增加。 

隨著電動汽車,可再生能源和5G等行業的創新步伐迅速提高,以滿足消費者和行業的需求,電力工程師越來越多地尋求新的解決方案,以在效率,成本節省和功能方面取得優勢。 

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現了這種材料。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體產品-也許晶圓廠技術人員會關注SiC“晶體棒”,并想知道使用這種材料的器件的下一步是什么? 

第三代SiC技術

讓我們回顧一下SiC技術的現狀以及與傳統硅解決方案的競爭優勢。圖1顯示了與硅相比的基本材料特性-靠近邊緣的值更好。 

圖1. Si和SiC材料特性的比較。

這里總結一下SiC的優點:帶隙更寬、臨界擊穿電壓更高、電子速度更高、開關速度更快。對于給定的額定電壓,管芯尺寸可以小得多,從而具有低導通電阻,再加上更好的導熱性,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,從而降低了開關損耗,而SiC固有的高溫性能反而降低了熱應力。

當作為碳化硅場效應晶體管(SiC FET)實現時,使用UnitedSiC JFET與Si-MOSFET共同封裝的的共源共柵,實現了一個常開型器件,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。

對于高開關頻率應用,現在還提供扁平的DFN8x8封裝,可最大程度地減小引線電感,因此非常適合諸如LLC和相移全橋轉換器之類的硬開關和軟開關應用。

使用該技術,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晶圓已發展到六英寸的尺寸,其規模經濟性使其可與硅的價格水平保持一致,并用于大眾市場應用以及尖端的創新產品。 

進一步改善SiC FET的驅動能力

SiC場效應晶體管已接近理想開關,但市場仍有更高的要求;電動汽車逆變器需要最佳的效率,以提高驅動范圍;數據中心/5G應用中的高功率DC-DC以及AC-DC轉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;工業界希望更小、更高效的電機驅動器能更好地利用工廠空間等待。SiC的其他新應用也已經開發出來,可以利用SiC的一些優勢-例如,固態斷路器現在可以在大電流水平下實現非常低的損耗,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(SOA)擴展來獲得更好的效果。

隨著系統工程師認識到在節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,以及具有更廣泛應用的設備,例如更高的電壓和電流額定值以及更多的封裝選項。

碳化硅改良參數

顯然,SiC比其他開關類型的關鍵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,這些參數可能會與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是反向恢復電荷,ESW是開關能量損失,二極管浪涌是體二極管效應峰值電流額定值,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衡,例如,減小晶粒體積可能導致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的過沖或雷電測試結果。

然而,在封裝設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相應的下降。隨著RDS(ON)的相應改進,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的新標準電壓等級的提高,額定電壓將向1700V上升。

挑戰還在前面,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,處于其發展曲線的起點,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。

SiC封裝的演變 

隨著SiC FET器件的改進和擴展到不同的應用領域,可以預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,否則會導致漏極-源極di/dt較高而導通。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封裝均經過優化,以最小的封裝電感實現了高頻工作。

將來,將提供其他SMD封裝,其中大多數采用銀燒結模壓連接,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 "安排的6000V或更高的額定電壓,以實現極高的功率。這些產品將被用于固態變壓器、MV-XFC快速充電器、風能發電系統、牽引和HVDC。
 

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