李威 發表於 2020-04-02 17:12:18
本文展望了SiC下一步需要做什麼，將在哪裡應用以及如何成為功率半導體的主導力量。
1893年，費迪南德·亨利·莫桑博士（Ferdinand Henri Moissan）於亞利桑那州的隕石殘留物中發現了這種材料，此後，碳化矽晶體就可以說是「Moissanite」之美。
如今，碳化矽可以形成寶石、鑽石，甚至更耐熱。碳化矽晶體也在工業上成為了碳化矽（SiC）晶片的基礎，碳化矽（SiC）晶片是一種非常成功的新型半導體產品，已經發展到可以與矽競爭的水平。
碳化矽現已進入第三代產品，其性能隨著越來越多的應用而增加。同時，隨著電動汽車，可再生能源和5G等行業創新步伐的加速，電力工程師越來越多地尋求新的SiC解決方案，以在效率，成本節省和功能方面取得優勢，滿足消費者和行業的需求。
一、第三代SiC技術
讓我們回顧一下SiC技術的現狀以及與傳統矽解決方案的競爭優勢。下圖顯示了與矽相比的基本材料特性-靠近邊緣的值更好。
Si和SiC材料特性的比較
SiC的優點包括：帶隙更寬，導致臨界擊穿電壓更高，電子速度更高，開關速度更快。對於給定的額定電壓，管芯尺寸可以小得多，從而具有低導通電阻，再加上顯著更好的導熱性，從而可以降低損耗並降低運行溫度。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。
當實現為SiC FET時，採用United SiC將SiC JFET與Si-MOSFET共封裝的共源共柵布置，常關器件可實現快速，低損耗的體二極體，高雪崩能量額定值和自限性短路條件下的電流。
SiC FET具有簡單的柵極驅動器，可與較早的Si-MOSFET甚至IGBT兼容，因此，通過提供兼容的封裝，可以輕鬆地從較早的器件類型進行升級。
對於高開關頻率應用，現在還提供扁平的DFN8x8封裝，該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，United SiC UF3C系列器件突破了障礙，這是首款採用凱爾文4引腳TO-247封裝，在1200V類器件中RDS（ON）低於10毫歐的SiCFET。
United SiC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矽的價格水平保持一致，並用於大眾市場應用以及尖端的創新產品。
二、進一步改善SiC FET的驅動力
SiC FET正在接近理想的開關，但是市場仍然要求更多。
EV逆變器需要儘可能高的效率以增加行駛距離；高功率DC-DC以及數據中心/5G應用中的AC-DC轉換器必須消耗儘可能少的功率，以最大程度地減少能量損失，佔地面積和成本；工業界希望使用更小，更高效的電機驅動器，以更好地利用工廠空間。
同時，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，固態斷路器現在在高電流水平下的損耗非常低，甚至線性電源電路（如電子負載）也比SiC更好。具有擴展的安全操作區域（SOA）的設備。
隨著系統工程師認識到在減小尺寸和冷卻要求，同時節省能源和硬體成本的機會的同時，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。
三、比較SiC 設備特性及未來發展方向
在比較當前SiC 設備及其發展趨勢時，各個參數並不一定具有啟發性，比如低於10毫歐的設備在100V的額定電壓下並不算優越，但在1200V的電壓下卻是最先進的。
同樣，如果管芯面積較大，則會導致高電容和隨之而來的開關損耗，因此在1200V時低RDS（ON）不太有用。
因此，使用商定的「品質因數」（FOM）是有用的，低值結合了低電阻和開關損耗以及每個晶片的裸片數量的措施，從而降低了成本。
EOSS，為設備輸出電容充電所需的能量對於降低開關損耗非常重要，而對於總損耗而言，有用的直接FOM也是RDS（ON）。
碳化矽改良參數：
顯然，對於關鍵的FOM，SiC相對於其他開關類型而言是一個巨大的進步，但更高性能的範圍又是什麼呢？
還需要考慮其他可能與FOM改進相牴觸的參數。下圖顯示了一些，箭頭指示了運動方向，以獲得更好的性能。BV是臨界擊穿電壓，COSS是輸出電容，Qrr是反向恢復電荷，ESW是開關時的能量損失，Diode Surge是體二極體效應峰值電流額定值，SCWT是短路耐受額定值，UIS是未鉗位的電感性開關額定值和RthJ-C是外殼熱阻的結點。
SiC FET特性及其發展方向：現在是藍色，將來是橙色
一些特性會相互增強好處，例如較小的模具尺寸可降低COSS，從而降低ESW；其他則需要權衡取捨，例如，減少晶片體積可能會導致UIS能源評級降低。峰值雪崩電流不會受到影響，這是與低能量雜散電感相關的過衝或雷電測試的典型結果。
但是，在電池和封裝設計方面進行改進的有用組合還有很多餘地，可以看到RSD（ON）。減半後的骰子明顯變小。然後，COSS也將以相同的比例下降，而ESW相應下降。通過對RDS（ON）進行相應的改進，可以使晶片更薄，但United SiC相信這不會以額定電壓為代價，而額定電壓將隨著新的750V標準電壓等級而升高至1700V。
挑戰不斷湧現，例如原材料需要達到零缺陷和完美的平坦度的要求，但是在每片晶片的裸片數量以及「交叉」方面，成品率一直在不斷提高。SiC在其發展曲線的開始階段仍然是一個相對較年輕的技術，並且像以前的MOSFET一樣，在成本和性能方面都有很大的未來改進前景。
四、SiC封裝的演變
隨著SiCFET器件的改進和擴展到不同的應用領域，可以預料封裝選項也將擴大。
目前，TO-247零件很受歡迎，因為它們可以作為某些MOSFET和IGBT的直接替代品，並且許多類型是四引線的，包括用於柵極驅動的開爾文連接。這有助於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United SiC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，其中大多數採用銀燒結模壓連接，以實現更好的熱性能。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」排列以實現非常高的功率時，額定功率可能高達6000V或更高。這些將通常用於固態變壓器，MV-XFC快速充電器，風力發電系統，牽引力和HVDC。
五、展望未來
電力應用領域的創新是迅速的，無需費吹灰之力就能看到半導體開關需要發展以符合市場期望。然而，採用新的性能基準，SiC可以遵循一條明確的道路來滿足需求。United SiC當前正在開發新設備，以應對越來越廣泛的應用。
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