深談碳化硅器件商業(yè)發(fā)展 碳化硅mos分類及應(yīng)用分析 KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-04-09
碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑為原料通過電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅在大自然也存在罕見的礦物，莫桑石。 碳化硅又稱碳硅石。在當(dāng)代C、N、B等非氧化物高技術(shù)耐火原料中，碳化硅為應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)濟的一種。可以稱為金鋼砂或耐火砂。
碳化硅由于化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好，除作磨料用外，還有很多其他用途，例如：以特殊工藝把碳化硅粉末涂布于水輪機葉輪或汽缸體的內(nèi)壁，可提高其耐磨性而延長使用壽命1～2倍；用以制成的高級耐火材料，耐熱震、體積小、重量輕而強度高，節(jié)能效果好。低品級碳化硅（含SiC約85%）是極好的脫氧劑，用它可加快煉鋼速度，并便于控制化學(xué)成分，提高鋼的質(zhì)量。此外，碳化硅還大量用于制作電熱元件硅碳棒。
碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級，僅次于世界上最硬的金剛石（10級），具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，是一種半導(dǎo)體，高溫時能抗氧化。
1905年 第一次在隕石中發(fā)現(xiàn)碳化硅
1907年 第一只碳化硅晶體發(fā)光二極管誕生
1955年 理論和技術(shù)上重大突破，LELY提出生長高品質(zhì)碳化概念，從此將SiC作為重要的電子材料
1958年 在波士頓召開第一次世界碳化硅會議進行學(xué)術(shù)交流
1978年 六、七十年代碳化硅主要由前蘇聯(lián)進行研究。到1978年首次采用“LELY改進技術(shù)”的晶粒提純生長方法
1987年～至今以CREE的研究成果建立碳化硅生產(chǎn)線，供應(yīng)商開始提供商品化的碳化硅基。
2001年德國Infineon公司推出SiC二極管產(chǎn)品，美國Cree和意法半導(dǎo)體等廠商也緊隨其后推出了SiC二極管產(chǎn)品。在日本，羅姆、新日本無線及瑞薩電子等投產(chǎn)了SiC二極管。
2013年9月29日，碳化硅半導(dǎo)體國際學(xué)會“ICSCRM 2013”召開，24個國家的半導(dǎo)體企業(yè)、科研院校等136家單位與會，人數(shù)達到794人次，為歷年來之最。國際知名的半導(dǎo)體器件廠商，如科銳、KIA可易亞、英飛凌、飛兆等在會議上均展示出了最新量產(chǎn)化的碳化硅器件。
硅IGBT在一般情況下只能工作在20kHz以下的頻率。由于受到材料的限制，高壓高頻的硅器件無法實現(xiàn)。碳化硅MOSFET不僅適合于從600V到10kV的廣泛電壓范圍，同時具備單極型器件的卓越開關(guān)性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開關(guān)電路中不存在電流拖尾的情況具有更低的開關(guān)損耗和更高的工作頻率。
20kHz的碳化硅MOSFET模塊的損耗可以比3kHz的硅IGBT模塊低一半， 50A的碳化硅模塊就可以替換150A的硅模塊。顯示了碳化硅MOSFET在工作頻率和效率上的巨大優(yōu)勢。
碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復(fù)時間trr和反向恢復(fù)電荷Qrr。如圖所示，同一額定電流900V的器件，碳化硅MOSFET 寄生二極管反向電荷只有同等電壓規(guī)格硅基MOSFET的5%。對于橋式電路來說（特別當(dāng)LLC變換器工作在高于諧振頻率的時候），這個指標非常關(guān)鍵，它可以減小死區(qū)時間以及體二極管的反向恢復(fù)帶來的損耗和噪音，便于提高開關(guān)工作頻率。
碳化硅MOSFET模塊在光伏、風(fēng)電、電動汽車及軌道交通等中高功率電力系統(tǒng)應(yīng)用上具有巨大的優(yōu)勢。碳化硅器件的高壓高頻和高效率的優(yōu)勢，可以突破現(xiàn)有電動汽車電機設(shè)計上因器件性能而受到的限制，這是目前國內(nèi)外電動汽車電機領(lǐng)域研發(fā)的重點。如電裝和豐田合作開發(fā)的混合電動汽車（HEV）、純電動汽車（EV）內(nèi)功率控制單元（PCU），使用碳化硅MOSFET模塊，體積比減小到1/5。三菱開發(fā)的EV馬達驅(qū)動系統(tǒng)，使用SiC MOSFET模塊，功率驅(qū)動模塊集成到了電機內(nèi)，實現(xiàn)了一體化和小型化目標。預(yù)計在2018年-2020年碳化硅MOSFET模塊將廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外的電動汽車上。
（一）在冶金工業(yè)上的應(yīng)用
(1)煉鐵。在煉鐵高爐的爐缸、爐腹、爐腰及風(fēng)口區(qū)使用碳化硅磚、氮化硅結(jié)合碳化硅磚或石墨碳化硅磚。在高爐風(fēng)口上使用氮化硅結(jié)合的碳化硅套磚。在魚雷罐和混鐵爐的爐襯上，以及鐵溝料、出鐵口用的炮泥中使用含碳化硅的Al2O3-SiC-C復(fù)合磚和不定形材料。
(2)煉鋼。在煉鋼方面，用碳化硅制成鋼水測溫套管，用含碳化硅的不燒磚做盛鋼桶內(nèi)襯,在連鑄用長水口磚和整體塞棒上使用含碳化硅質(zhì)的Al2O3-SiC-C磚。
(3)軋鋼。在軋鋼加熱爐上用剛玉碳化硅滑軌磚、非金屬陶瓷換熱器，在鐵鱗還原爐上用碳化硅質(zhì)馬弗罩等。
（二）在有色金屬工業(yè)中的應(yīng)用
(1)煉銅。在煉銅方面，在電解銅熔化豎爐的燒嘴區(qū)等易損部位使用碳化硅磚。
(2)煉鋁。在煉鋁方面，煉鋁反射爐內(nèi)襯、爐底、液面下側(cè)墻用碳化硅磚或氮化硅、賽隆結(jié)合的碳化硅磚。煉鋁的電解槽、流鋁槽、出鋁口、鑄鋁模都使用碳化硅磚。
(3)煉鋅。在煉鋅方面，煉鋅豎罐蒸餾爐、冷凝器及轉(zhuǎn)子等熱工設(shè)備使用碳化硅爐襯。電熱蒸餾爐、電極孔、鋅蒸氣循環(huán)管及通道，冷凝器及轉(zhuǎn)子等部位也使用碳化硅磚。鋅精餾爐的塔盤也使用碳化硅制品。
(4)煉鎂爐。煉鎂爐的爐襯、有色金屬冶煉用的坩堝，使用碳化硅質(zhì)耐火材料。
（三）在建材工業(yè)上的應(yīng)用
(1)在陶瓷方面，用于生產(chǎn)日用陶瓷、建筑陶瓷、美術(shù)陶瓷、電子陶瓷等的隧道窯、梭式窯、罩式窯、倒焰窯等各種窯爐的碳化硅棚板、水平支柱、匣缽等。在隔焰窯上用碳化硅板做隔焰板、爐底等。在電爐上可做電爐襯套和馬弗套。
(2)在水泥回轉(zhuǎn)窯上，耐磨碳化硅磚用做卸料口爐襯磚。
(3)在玻璃工業(yè)上，用碳化硅磚砌筑罐式窯和槽式窯蓄熱室的高溫部位，玻璃退火爐和高壓鍋爐，以及垃圾焚燒爐燃燒室的內(nèi)襯。
（四）在石油化工方面的應(yīng)用
以硫酸分解食鹽制造HCl和Na2S04時用碳化硅材料制造馬弗套、制造硫酸用碳化硅霧化噴嘴、溢流槽。用氮化硅結(jié)合碳化硅材料制造即送泵零件、在催裂化裝置用碳化硅做高溫蒸氣噴嘴，在紙漿生產(chǎn)中做分離亞硫酸鹽蒸壓釜內(nèi)襯。用碳化硅制品做石油化工和熱電廠各種鍋爐的旋風(fēng)除塵器的內(nèi)襯。
（五）在機械工業(yè)上的應(yīng)用
(1)做磨料、磨具。
(2)在氣體滲碳爐上做加熱輻射管。
(3)用碳化硅制造各種高溫爐管、熱電偶管、遠紅外反射板。
(4)利用碳化硅材料的良好導(dǎo)電性能，可以制成非金屬電熱元件。
商業(yè)前景
近幾年來，商業(yè)化進程取得了巨大的進步。除了創(chuàng)造有利于供應(yīng)商和用戶的競爭格局之外，有多家 SiC MOSFET 供應(yīng)商可以滿足對第二供應(yīng)商的擔(dān)憂。如前所述，鑒于器件的漫長演進過程，多家 SiC MOSFET 供應(yīng)商擁有足夠可靠的器件的事實是一次巨大的進步。經(jīng)許可轉(zhuǎn)自 Yole Développement 的《2016 功率 SiC》報告的圖 5，顯示出截至 2016 年 7 月各供應(yīng)商的 SiC MOSFET 活動。Wolfspeed、ROHM、ST Microelectronics 和 Microsemi 均推出了市售的零部件；
多晶片功率模塊也是 SiC 領(lǐng)域客戶和供應(yīng)商之間的一個熱門話題。圖 6，同樣轉(zhuǎn)自 Yole’sDéveloppement 2016 年的報告，顯示了 SiC 模塊開發(fā)活動的狀態(tài)。我們相信，對分離封裝的 SiC MOSFET 仍然存在大量的機會，因為控制和功率電路的最佳布局實踐可以很容易地將分離解決方案的適用性擴展到幾十千瓦。更高的功率水平和簡化系統(tǒng)設(shè)計的動機將推動 SiC 模塊的開發(fā)工作，但是從封裝、控制電路和周圍的功率組件中優(yōu)化寄生電感的重要性不能被夸大。
當(dāng)談到 SiC MOSFET 商業(yè)前景時最后一點不可回避的問題是價格。我們關(guān)于價格侵蝕的看法是有利的，主要是我們的方法的兩個方面：首先，我們的器件是在一個汽車級的硅 CMOS 工廠中制造的；其次，這種工藝采用的是 150 毫米晶圓。可以簡單地說，利用現(xiàn)有的硅 CMOS 工廠的核心優(yōu)勢是缺乏資本支出和優(yōu)化經(jīng)營費用（這兩者都會被傳遞到最終客戶）。此外，采用 150 毫米晶圓進行制造產(chǎn)出的器件要比 100 毫米晶圓多出兩倍，這大大影響了每個模具的成本。根據(jù)在 Digi-Key 公司進行的一項市售 SiC MOSFET 調(diào)查，圖 7 中給出了一些關(guān)于價格的預(yù)示。例如，自從六年前在 Digi-Key 公司的首次公告，TO-247 封裝的 1200V、80 mΩ器件的價格下降了超過百分之八十，即使 SiC MOSFET 仍然比類似的硅 IGBT 貴兩到三倍。在今天的價格水平上，相比較硅 IGBT，設(shè)計人員已經(jīng)看到了使用 SiC MOSFET 所帶來的巨大的系統(tǒng)層面的價格效益，而且我們預(yù)計，隨著 150 毫米晶圓的規(guī)模經(jīng)濟形成，SiC MOSFET 的價格將會繼續(xù)下降。
圖 1：不同供應(yīng)商的 SiC MOSFET 開發(fā)活動的狀況
圖 2：SiC 功率模塊開發(fā)活動的狀況【13，經(jīng)許可轉(zhuǎn)載】。藍色圓圈表示只有 SiC 器件的模塊，而橙色圓圈表示使用硅晶體管和 SiC 二極管的模塊。
圖 3：在 Digi-Key 公司【www.digikey.com】看到的關(guān)于市售 SiC MOSFET 的價格調(diào)查。
結(jié)論
上個世紀 80 年代，硅IGBT 對電力電子行業(yè)產(chǎn)生了巨大的積極影響，從那時起，它一直是這個行業(yè)的主力。下一項革命性的技術(shù)將是 SiC MOSFET。SiC MOSFET 今天的發(fā)展?fàn)顩r指出了主要的商業(yè)障礙（包括價格、可靠性、耐用性和供應(yīng)商的多樣化）的解決方案。盡管價格溢價超過硅 IGBT，但由于成本抵消的系統(tǒng)層面效益，SiC MOSFET 已經(jīng)取得了成功；隨著材料成本的下降，這種技術(shù)的市場份額在未來幾年將大幅增加。經(jīng)過 40 多年的開發(fā)工作，SiCMOSFET 終于似乎做好了廣泛的商業(yè)成功的準備，并在綠色能源運動中發(fā)揮出重要的角色。
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