SiC对电力电子的挑战 碳化硅组件的制造过程

碳化硅是一种具有高功率和高温特性的非常有效的材料。

碳化硅（SiC）半导体是创新的选择，可以提高系统效率，支持更高的工作温度并降低电力电子设计的成本。SiC是硅和碳的化合物，是同素异形的半导体材料。电流密度很容易达到5甚至10 A /mm²，放电电压通常在SiC的100 V /μm范围内，而在硅上则为10 V /μm。碳化硅的特性使其成为用于生物医学材料，高温半导体器件，同步加速器光学元件以及轻便，高强度结构的理想材料。

碳化硅组件的制造过程（图片：GT Advanced Technologies）

由于SiC具有高导热性，因此它比其他半导体材料更快地散发热量。因此，SiC器件可以在极高的功率水平下运行，并且仍然可以散发器件产生的大量多余热量。

Microchip Technology离散与电源管理业务部门战略市场经理奥兰多·埃斯帕萨（Orlando Esparza）表示：“ SiC的增长率非常可观，这将对SiC供应商满足快速的需求增长带来挑战。”SiC功率器件不是商品，在性能，可靠性和耐用性方面存在真正的差异。考虑到不同供应商的各种设计，开发和制造[情况]，成本最低的设备不太可能满足关键任务应用的高可靠性要求。设计人员需要确保在严格的条件下，在自己的工作台和系统上仔细评估设备性能，可靠性和性能下降。”

SiC块状晶体：新的商业模式

强劲的市场需求和SiC产品的持续趋势促使公司优化SiC生产工艺。彻底改变基板供应链可以快速响应对大功率解决方案不断增长的需求。

从材料到成品（图片来源：GT Advanced Technologies）

GT Advanced Technologies向晶圆制造商提供晶体，使他们能够迅速扩展到基板生产市场。GT的业务模式使该公司避免与现有企业和新竞争对手直接竞争，而是使其更有效，更快速地扩展规模，从而提供高质量的晶体并降低成本。

GT Advanced Technologies总裁兼首席执行官格雷格·奈特（Greg Knight）表示：“我们的商业模式是出售晶体本身（散装晶体）的一种形式，可以随时进行加工。”“我们种植晶体，将其研磨到指定的直径，将其切成一定的形状因子，这就是我们出售的产品。我们的客户将这种[水晶]放入线锯中，然后就走了。”

奈特说：“您从碳化硅中学到的东西很快就到处都是，没有简单的元素。”“种植晶体非常困难。一旦有了晶体，因为它是一种非常坚硬，易碎的单晶材料，所以没有任何困难。我们专注于晶体生长，我认为目前这是材料价值链中最困难的一步。之所以困难，是因为这是一个完全盲目的过程。您看不到或无法直接衡量自己在做什么。您必须在盲目过程中拥有非常非常强大的过程控制。”

SiC和包装

SiC提供的高性能使更小，更热效率的封装成为可能，尽管必须将它们设计成对称布局以最小化电路电感。碳化硅不能用作天然矿物。SiC掺杂是一个困难的过程，而生产具有更少缺陷的更大SiC晶片的挑战使制造和加工成本居高不下。因此，从一开始就必须提供良好的开发过程。

“碳化硅不是无缺陷的；实际上，与硅相比，它是一种高度缺陷的材料。”奈特说。“作为材料供应商，提高质量并继续降低缺陷水平是我们的重任。”

他补充说，GT Advanced Technologies“在很短的时间内就在质量上取得了长足的进步”。“大约一年前，我们开始大力改善水晶的质量，并已完成这一步骤的更改，现在我们提供了我们认为是市场上最高质量的水晶。我们需要继续提高晶体的质量。这是一种持续的努力，永无止境。”

奈特说，高产也很关键。产量越高，成本越低。而“创新不止于设备；而是创新不止于设备”。封装和热管理面临着许多挑战。创新必须在整个生态系统中继续发生。”

特斯拉（Tesla）等公司已经开发了先进的电池，电动机和控制技术，这些技术可以使高性能电动汽车（EV）的充电续航里程达到300英里或更多。一种提高EV效率的方法是在传动系统中使用更高效的半导体开关，同时增加电动辅助车辆系统的数量。传动系统中使用的电机控制电子设备被视为对安全至关重要的功能，因此，设计人员必须使用经过验证的技术。

SiC的低开关损耗，高温能力和高开关频率使其非常适合满足最佳混合EV / EV（xEV）要求。“随着越来越多的车队转向电动汽车，碳化硅的增长将继续来自汽车等行业，并且您会看到MOSFET的增长超过了IGBT。如今最大的用户是特斯拉，”奈特说。

为了证明SiC功率MOSFET和二极管在半桥配置下的连续运行，Littelfuse建立了栅极驱动器评估平台（GDEV）。该平台提供了一组定义明确的测试条件和快速连接功能，以评估和比较具有不同驱动器IC的不同驱动板设计的性能。它还具有完整的散热解决方案，允许功率器件在高电压和高电流下连续运行，并提供有功功率。

门驱动器评估平台（图片：Littelfuse）

SiC技术正在更高功率的项目中找到应用，例如电动机，电驱动器和逆变器或变频器，例如动力总成逆变器和车载充电器（OBC）。

Microchip Technology的Esparza表示：“某些在较低频率下切换的电机应用并未充分利用碳化硅的快速切换功能。”“电动汽车驱动器的目标是碳化硅，以受益于更高的功率密度，更高的结温和更小的整体设计。”

Microchip的MSCSICPFC / REF5是适用于混合EV / EV充电器和大功率开关模式电源的三相维也纳功率因数校正（PFC）参考设计。该参考设计在20 kW输出功率下达到98.5％的效率，并且能够以30 kW的功率运行。

Esparza说：“行业需要将他们的思维从基于硅的设计转变为碳化硅技术。”“需要对整个拓扑结构，系统和材料清单进行系统级的评估和评估，以证明向碳化硅过渡的合理性。所有行业都可以从SiC中受益，我们看到了各个行业的兴趣和应用：医疗，工业，汽车，计算机，航空，国防，太空等。”

三相维也纳功率因数校正参考设计（图片：Microchip）

其他宽带隙材料

SiC并不是唯一一种在某些应用中可以替代硅的宽带隙材料。从大约100 W的电源开始，氮化镓（GaN）组件也正在改变电力电子领域。由于其适用于转换和电源系统的相同功能，GaN技术也正在进入RF放大器。

但是，唯一的宽带隙第IV组半导体材料是SiC和金刚石。奈特说：“金刚石显然是一种宽带隙材料，具有一些惊人的性能。”“尚不具备生长大型单晶钻石的能力。它是在非常非常小的晶体中以非常非常低的产率完成的。但是，如果我想到一种最终会取代SiC的材料，也许就是金刚石。这是一个全新的技术挑战。”

我们正在经历社会如何使用电力的革命。与传统材料（例如硅）相比，宽带隙材料能够提高功率转换应用的效率。SiC及其III–V组对应物GaN在能源方面具有优势，这使其成为功率电子学开发的重点。

编辑：hfy