SiC半导体发展的下一步是什么

本文展望了SiC下一步需要做什么，将在哪里应用以及如何成为功率半导体的主导力量。

1893年，费迪南德·亨利·莫桑博士（Ferdinand Henri Moissan）于亚利桑那州的陨石残留物中发现了这种材料，此后，碳化硅晶体就可以说是“Moissanite”之美。

如今，碳化硅可以形成宝石、钻石，甚至更耐热。碳化硅晶体也在工业上成为了碳化硅（SiC）晶片的基础，碳化硅（SiC）晶片是一种非常成功的新型半导体产品，已经发展到可以与硅竞争的水平。

碳化硅现已进入第三代产品，其性能随着越来越多的应用而增加。同时，随着电动汽车，可再生能源和5G等行业创新步伐的加速，电力工程师越来越多地寻求新的SiC解决方案，以在效率，成本节省和功能方面取得优势，满足消费者和行业的需求。

一、第三代SiC技术

让我们回顾一下SiC技术的现状以及与传统硅解决方案的竞争优势。下图显示了与硅相比的基本材料特性-靠近边缘的值更好。

Si和SiC材料特性的比较

SiC的优点包括：带隙更宽，导致临界击穿电压更高，电子速度更高，开关速度更快。对于给定的额定电压，管芯尺寸可以小得多，从而具有低导通电阻，再加上显着更好的导热性，从而可以降低损耗并降低运行温度。较小的裸片尺寸还减少了器件电容，从而降低了开关损耗，而SiC固有的高温性能反而降低了热应力。

当实现为SiC FET时，采用United SiC将SiC JFET与Si-MOSFET共封装的共源共栅布置，常关器件可实现快速，低损耗的体二极管，高雪崩能量额定值和自限性短路条件下的电流。

SiC FET具有简单的栅极驱动器，可与较早的Si-MOSFET甚至IGBT兼容，因此，通过提供兼容的封装，可以轻松地从较早的器件类型进行升级。

对于高开关频率应用，现在还提供扁平的DFN8x8封装，该封装可最大程度地减小引线电感，因此非常适合诸如LLC和相移全桥转换器之类的硬开关和软开关应用。

使用该技术，United SiC UF3C系列器件突破了障碍，这是首款采用凯尔文4引脚TO-247封装，在1200V类器件中RDS（ON）低于10毫欧的SiCFET。

United SiC中使用的SiC晶圆已发展到六英寸的尺寸，其规模经济性使其可与硅的价格水平保持一致，并用于大众市场应用以及尖端的创新产品。

二、进一步改善SiC FET的驱动力

SiC FET正在接近理想的开关，但是市场仍然要求更多。

EV逆变器需要尽可能高的效率以增加行驶距离；高功率DC-DC以及数据中心/5G应用中的AC-DC转换器必须消耗尽可能少的功率，以最大程度地减少能量损失，占地面积和成本；工业界希望使用更小，更高效的电机驱动器，以更好地利用工厂空间。

同时，SiC的其他新应用也已经开发出来，可以利用SiC的一些优势。例如，固态断路器现在在高电流水平下的损耗非常低，甚至线性电源电路（如电子负载）也比SiC更好。具有扩展的安全操作区域（SOA）的设备。

随着系统工程师认识到在减小尺寸和冷却要求，同时节省能源和硬件成本的机会的同时，他们希望拥有更多相同的器件，以及具有更广泛应用的设备，例如更高的电压和电流额定值以及更多的封装选项。

三、比较SiC设备特性及未来发展方向

在比较当前SiC 设备及其发展趋势时，各个参数并不一定具有启发性，比如低于10毫欧的设备在100V的额定电压下并不算优越，但在1200V的电压下却是最先进的。

同样，如果管芯面积较大，则会导致高电容和随之而来的开关损耗，因此在1200V时低RDS（ON）不太有用。

因此，使用商定的“品质因数”（FOM）是有用的，低值结合了低电阻和开关损耗以及每个晶片的裸片数量的措施，从而降低了成本。

EOSS，为设备输出电容充电所需的能量对于降低开关损耗非常重要，而对于总损耗而言，有用的直接FOM也是RDS（ON）。

碳化硅改良参数：

显然，对于关键的FOM，SiC相对于其他开关类型而言是一个巨大的进步，但更高性能的范围又是什么呢？

还需要考虑其他可能与FOM改进相抵触的参数。下图显示了一些，箭头指示了运动方向，以获得更好的性能。BV是临界击穿电压，COSS是输出电容，Qrr是反向恢复电荷，ESW是开关时的能量损失，Diode Surge是体二极管效应峰值电流额定值，SCWT是短路耐受额定值，UIS是未钳位的电感性开关额定值和RthJ-C是外壳热阻的结点。

SiC FET特性及其发展方向：现在是蓝色，将来是橙色

一些特性会相互增强好处，例如较小的模具尺寸可降低COSS，从而降低ESW；其他则需要权衡取舍，例如，减少芯片体积可能会导致UIS能源评级降低。峰值雪崩电流不会受到影响，这是与低能量杂散电感相关的过冲或雷电测试的典型结果。

但是，在电池和封装设计方面进行改进的有用组合还有很多余地，可以看到RSD（ON）。减半后的骰子明显变小。然后，COSS也将以相同的比例下降，而ESW相应下降。通过对RDS（ON）进行相应的改进，可以使芯片更薄，但United SiC相信这不会以额定电压为代价，而额定电压将随着新的750V标准电压等级而升高至1700V。

挑战不断涌现，例如原材料需要达到零缺陷和完美的平坦度的要求，但是在每片晶片的裸片数量以及“交叉”方面，成品率一直在不断提高。SiC在其发展曲线的开始阶段仍然是一个相对较年轻的技术，并且像以前的MOSFET一样，在成本和性能方面都有很大的未来改进前景。

四、SiC封装的演变

随着SiCFET器件的改进和扩展到不同的应用领域，可以预料封装选项也将扩大。

目前，TO-247零件很受欢迎，因为它们可以作为某些MOSFET和IGBT的直接替代品，并且许多类型是四引线的，包括用于栅极驱动的开尔文连接。这有助于克服源极引线电感的影响，否则会导致漏极-源极di/dt较高而导通。D2PAK-3L和-7L以及TO-220-3L，TO247以及最近从United SiC推出的表面贴装薄型DFN8x8封装均经过优化，以最小的封装电感实现了高频工作。

将来，将提供其他SMD封装，其中大多数采用银烧结模压连接，以实现更好的热性能。模块中的多个SiC裸片也将变得更加广泛，单个裸片的额定电压可能高达1200V，而使用堆叠式“超级级联”排列以实现非常高的功率时，额定功率可能高达6000V或更高。这些将通常用于固态变压器，MV-XFC快速充电器，风力发电系统，牵引力和HVDC。

五、展望未来

电力应用领域的创新是迅速的，无需费吹灰之力就能看到半导体开关需要发展以符合市场期望。然而，采用新的性能基准，SiC可以遵循一条明确的道路来满足需求。United SiC当前正在开发新设备，以应对越来越广泛的应用。