碳化硅技术基本原理

　　碳化硅技术基本原理

　　介绍

　　啥是碳化硅（SiC）？

　　跟传统半导体材料硅相比，它在击穿场强、禁带宽度、电子饱和速度、熔点以及热导率方面都有优势。

　　比如，在相同耐压级别条件下，Si-MOSFET必须要做得比较厚，而且耐压越高厚度就会越越厚，导致材料成本更高。在栅极和漏极间有一个电压隔离区，这个区越宽，内阻越大，功率损耗越多，而SiC-MOSFET可以讲这个区域做得更薄，达到Si-MOSFET厚度的1/10，同时漂移区阻值降低至原来的1/300。导通电阻小了,能量损耗也就小了，性能得到提升。

　　相对Si功率器件，SiC在二极管和晶体管的优势特征如下。在二级管中，Ｓi-FRD构造电压可以达到250Ｖ，而换成SiＣ电压则可达到4000V左右；晶体管中Si-MOSFET可以做到900Ｖ，市场上也有1500Ｖ的，但特性会差些，而SiC产品电压可达3300V。

　　那么在功率半导体的所有使用场景中，SiC-MOSFET处于什么位置呢？下图坐标轴的横轴是开关频率，纵轴是输出功率，可见SiC-MOSFET的应用集中在相对高频高压的领域，而普通Si-MOSFET主要用在低压高频领域，然后Si-IGBT在高压低频率，如果电压不需要很高，但频率要很高就选GaN HEMT。

　　碳化硅由硅和碳组成。两者都是周期IV元素，所以它们更喜欢共价键。此外，每个碳原子都被四个硅原子包围，反之亦然。这将导致一个高度有序的配置，一个单晶，如在正确的图中。（晶体是极化的，这意味着我们可以识别出一个硅面和一个碳面，每一个都有一个自由键的原子。）然而硅，或砷化镓只有一个晶体结构，碳化硅有几个。

　　在一个大样本中存在着几个稳定的长期堆叠顺序。这个数字对应于在重复这个模式之前的双层Si和C的数量。例如，4H重复ABACABAC等。其中，4H和6H具有技术价值，因为大型晶圆可以用这种材料制造，因此用于设备生产。我们稍后将讨论制造。

　　功率半导体在电力电子系统中占据核心的地位。经过几十年的发展，硅半导体已经接近理论性能极限，无法满足越来越高的变换器性能要求。自 21世纪以来，以碳化硅（Silicon Carbide, SiC）为主的宽禁带半导体受到越来越多的关注。碳化硅的绝缘击穿场强是硅的 10 倍，而同等耐压下的漂移区电阻理论上可以降低到硅的 1/300，在保证“高耐压”能力的同时，实现“低导通电阻”、 “高开关速度”以及“高开关频率”的特性。另外，碳化硅材料的带隙宽度是硅的 3 倍，因此碳化硅功率半导体芯片在高温条件下也可以稳定工作。

　　功率芯片通过封装实现与外部电路的连接，其性能的发挥则依赖着封装的支持，在大功率场合下通常功率芯片会被封装为功率模块进行使用。传统的功率模块封装结构如图 1 所示。其封装方式足以满足硅半导体的特性需求，但在将其应用于碳化硅半导体时，则会遇到一些挑战，限制了碳化硅半导体优异特性的发挥。目前碳化硅功率模块封装的主要挑战体现在电性能的发挥、芯片的热管理、芯片的高温运行以及长期可靠的绝缘三个方面。

　　本文从电、热、绝缘三个技术方向对现有碳化硅功率模块封装方式进行分析与总结，并对碳化硅功率模块所面临的挑战与机遇进行分析展望。

　　碳化硅换热器是一种利用碳化硅陶瓷材料作为传热介质的新型换热器。由于碳化硅陶瓷具有耐腐蚀、耐高温、高热导、高硬度、耐磨等优良特性，碳化硅陶瓷换热器适合高温、耐腐蚀环境的使用需求。

　　很多朋友对碳化硅换热器的工作原理还不是很了解，今天小编为大家讲解下：研制成的这种装置的换热元件材料系一种新型碳化硅工程陶瓷，它具有耐高温和抗热冲击的优异性能，从 1000 ℃ 风冷至室温，反复50 次以上不出现裂纹；导热系数与不锈钢等同；在氧化性和酸性介质中具有良好的耐蚀性。在结构上成功地解决了热补偿和较好地解决了气体密封问题。该装置传热效率高，节能效果显著，用以预热助燃空气或加热某些过程的工艺气体，可节约一次能源，燃料节约率可达 30 %以上，并可强化工艺过程，显著提高生产能力。