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深入剖析碳化硅—羅姆為你揭示背后的成本秘密

454398 ? 來源:羅姆半導(dǎo)體社區(qū) ? 作者:羅姆半導(dǎo)體社區(qū) ? 2022-12-27 18:08 ? 次閱讀
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來源:羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

作為第三代半導(dǎo)體中的明星,碳化硅因為其獨(dú)有的特性和優(yōu)勢受到各方青睞。尤其是時下電動汽車市場的火爆,助推了碳化硅器件的發(fā)展與應(yīng)用。不過,作為新興事物,碳化硅器件的產(chǎn)品良率及價格問題使得其應(yīng)用變得撲朔迷離。碳化硅器件到底好在哪?目前主要應(yīng)用領(lǐng)域?成本與硅相比差多少?發(fā)展前景如何?最近,碳化硅主要供應(yīng)商羅姆半導(dǎo)體公司舉辦座談會,羅姆半導(dǎo)體(北京)有限公司技術(shù)中心所長水原德建先生就這些問題進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

碳化硅的特性優(yōu)勢

碳化硅(SiC)是具有1x1共價鍵的硅和碳的化合物半導(dǎo)體,被視為第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料的重要組成單元,業(yè)界普遍認(rèn)為其具有廣闊的應(yīng)用前景。

作為寬帶隙半導(dǎo)體,碳化硅具有寬的禁帶寬度(禁帶寬度大于2.2ev)、高熱導(dǎo)率、高擊穿電場、高抗輻射能力、高電子飽和速率等特點(diǎn),這使得碳化硅特別適用于需要高溫、高頻、抗輻射及大功率器件的應(yīng)用中。

和硅相比,碳化硅具有更高耐壓,從而可以使半導(dǎo)體層更薄、阻值更低,碳化硅也因其更低的功耗而成為電力電子領(lǐng)域最具前景的材料。

碳化硅為終端應(yīng)用帶來的好處

碳化硅材料的天生優(yōu)勢賦予了碳化硅基器件的強(qiáng)大性能,使用碳化硅替代硅,我們能獲得哪些好處呢?

首先碳化硅所具有的更低阻抗使最終器件的尺寸更小,效率更高;其次,碳化硅器件可以在更高頻率下運(yùn)行,從而可以使用更小的被動元器件;另外,碳化硅器件可以在更高的溫度下運(yùn)行,因此,就降低了系統(tǒng)冷卻要求,可以使用更簡單更小型的冷卻系統(tǒng)。另外,SiC-SBD與Si-FRD相比恢復(fù)特性也很優(yōu)異,其恢復(fù)過程幾乎不受電流、溫度的影響。SiC-MOS與Si-IGBT和Si-MOS的開關(guān)特性相比,關(guān)斷時的損耗大幅減小,體二極管的恢復(fù)特性更好。

例如,對于一個5kW的DC/DC轉(zhuǎn)換器,如果使用SiC MOSFET替代Si IGBT,損耗可以降低63%,體積也大大減小,整個系統(tǒng)的重量從原來的7kg降為0.9kg。體積和重量之所以大幅下降,是因為里面使用的SiC芯片更小,功耗更低,下面的散熱板也就相應(yīng)變小了,而且頻率提高后,周邊器件包括變壓器、線圈都可以做的很小,整體而言,體積和重量就降下來了。

在電動方程式大賽中,SiC帶來的優(yōu)勢更是讓人印象深刻。羅姆在2016年第三賽季開始與文圖瑞Formula E車隊進(jìn)行技術(shù)合作。文圖瑞賽車的逆變器在第二賽季的時候使用的還是傳統(tǒng)IGBT模塊,在第三賽季的時候用上了羅姆的IGBT加上SiC的肖特基,在第四賽季時采用了羅姆的全SiC模塊,所謂全SiC就是SiC的MOS加上SiC的肖特基。結(jié)果顯示,相比第二賽季,第三賽季的逆變器重量減輕了兩公斤,尺寸減少了19%,而第四賽季搭載全SiC之后,重量減輕了將近6公斤,尺寸減少了43%。最直接的好處是重量降下來之后,賽車的行駛距離更長了。

適于碳化硅器件的用武之地

雖然碳化硅材料具有比硅更好的特性,但并非可以完全取代硅。作為最廣泛的半導(dǎo)體材料,硅仍然具有它的不可替代的應(yīng)用領(lǐng)域。

目前來看,基于碳化硅材料的功率半導(dǎo)體適合應(yīng)用于高頻高功率高工作電壓的應(yīng)用場合。例如,光伏儲能和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器領(lǐng)域,已經(jīng)在廣泛使用碳化硅器件,隨著碳化硅MOS的工作電壓的提高,未來高速鐵路、風(fēng)電等領(lǐng)域也是碳化硅的潛在應(yīng)用市場,同時,時下的電動汽車是碳化硅的一個熱點(diǎn)市場。

綜合來看,SiC在一些特定應(yīng)用中正在迅速取代原來的硅基產(chǎn)品,同時,由于其的新特性,SiC器件正在新興應(yīng)用領(lǐng)域中迅速擴(kuò)展。

碳化硅器件和硅器件的成本對比

一般來看,碳化硅器件比硅器件價格高,所以采用碳化硅后終端產(chǎn)品成本相對來說也要高一些。但如果綜合考慮整體成本,事實(shí)上并沒有增加。對于整車廠來說,使用SiC可以提高逆變器效率,從而能夠降低電池容量和成本,平衡一下,結(jié)果是提高了效率而整體價格并沒有提高。另外,電池的降價也會平衡使用碳化硅器件的成本??傮w來看,羅姆認(rèn)為,大約到2021年左右,汽車采用碳化硅后會帶來整體價格上的下降。

碳化硅廠商的應(yīng)對之策

為了滿足市場應(yīng)用需求,碳化硅廠商也在不斷提升生產(chǎn)能力,以滿足市場需求。

羅姆半導(dǎo)體是全球主要的碳化硅生產(chǎn)供應(yīng)商,它還是少有的可以提供從碳化硅晶棒生產(chǎn)到晶圓制造,再到封裝組裝等完全垂直整合制造工藝的廠商。羅姆的碳化硅產(chǎn)品不僅提供SiC-SBD、SiC-MOS,還提供碳化硅功率模組,未來會在提供更大尺寸的晶圓,提升碳化硅器件的工作電流電壓、提供更多類型的封裝形式上加大投入力度。

審核編輯黃昊宇

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