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(jì)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(jī)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(qiáng)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(shí)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(jìn)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(jìn)行研究。到1978年首次采用“LELY改進(jìn)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(dá)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(shí)現(xiàn)。碳化硅MOSFET不僅適合于從600V到10kV的廣泛電壓范圍，同時(shí)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(shí)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(shí)候），這個指標(biāo)非常關(guān)鍵，它可以減小死區(qū)時(shí)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(jī)設(shè)計(jì)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(jī)領(lǐng)域研發(fā)的重點(diǎn)。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(dá)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(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了一體化和小型化目標(biāo)。預(yù)計(jì)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(shí)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(jī)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(yuǎn)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(jìn)程取得了巨大的進(jìn)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(jìn)過程，多家 SiC MOSFET 供應(yīng)商擁有足夠可靠的器件的事實(shí)是一次巨大的進(jìn)步。經(jīng)許可轉(zhuǎn)自 Yole Développement 的《2016 功率 SiC》報(bào)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(bào)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(jī)會，因?yàn)榭刂坪凸β孰娐返淖罴巡季謱?shí)踐可以很容易地將分離解決方案的適用性擴(kuò)展到幾十千瓦。更高的功率水平和簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的動機(jī)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(shí)最后一點(diǎn)不可回避的問題是價(jià)格。我們關(guān)于價(jià)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(fèi)用（這兩者都會被傳遞到最終客戶）。此外，采用 150 毫米晶圓進(jìn)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(jìn)行的一項(xiàng)市售 SiC MOSFET 調(diào)查，圖 7 中給出了一些關(guān)于價(jià)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(jià)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(jià)格水平上，相比較硅 IGBT，設(shè)計(jì)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(jià)格效益，而且我們預(yù)計(jì)，隨著 150 毫米晶圓的規(guī)模經(jīng)濟(jì)形成，SiC MOSFET 的價(jià)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(lán)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(jià)格調(diào)查。
結(jié)論
上個世紀(jì) 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(shí)起，它一直是這個行業(yè)的主力。下一項(xiàng)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(jià)格、可靠性、耐用性和供應(yīng)商的多樣化）的解決方案。盡管價(jià)格溢價(jià)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(zhǔn)備，并在綠色能源運(yùn)動中發(fā)揮出重要的角色。
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