SiC器件
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-06
SiC器件的視頻教程
特斯拉Tesla Model 3電控系統介紹，電池/三相逆變、電機、IGBT與碳化硅MOS驅動系
Model 3電機控制器是第一款采用全SiC功率模塊的電機控制器，據一些國外的土豪拆解分析，SiC功率器件采用的是ST公司的GK026，驅動芯片采用的是ST的STGAP1AS，母線電壓采樣ACPL-C87(A)BT
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SiC器件的實例教程
SiC功率器件的概況
SiC（碳化硅）功率器件以其耐高溫、耐高壓、低開關損耗等特性，能有效實現電力電子系統的高效率、小型化、輕量化、高功率密度等要求，受到了新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網等領域的追捧。
在車用領域，SiC功率器件在能量轉換效率上的顯著優勢，能有效增加電動汽車的續航里程和充電效率。另外，SiC器件的導通電阻更低、芯片尺寸更小、工作頻率更高，能夠使電動汽車適應更加復雜的行駛工況。隨著SiC良率的提升、成本的降低，SiC功率器件在新能源汽車上的裝機量會大幅上升，SiC功率器件的車用需求也會迎來跨越式發展。
當前，SiC全球產業布局上，形成美、歐、日三強態勢，但與第一代、第二代半導體材料相比，全球第三代半導體產業均還在發展初期，國內與主流SiC產業差距不大，為國產三代半產業提供了彎道超車、打入半導體元器件高端產業鏈的機會。
國產SiC功率器件面臨的主要問題
目前，SiC產業普遍遇到的問題是良率低、成本高的瓶頸，而對于國產器件，一致性和可靠性也是其市場應用的攔路虎，要獲取市場信任與認可，可靠性驗證是必經之路。驗證SiC功率器件高溫與高壓下的模擬壽命，可采用高溫反偏（HTRB）作為基礎的驗證試驗。
SiC功率器件的高溫反偏試驗
1、高溫反偏試驗的作用
高溫反偏試驗是模擬器件在靜態或穩態工作模式下，以最高反偏電壓或指定反偏電壓進行工作，以研究偏置條件和溫度隨時間對器件的壽命模擬。甚至一些廠商還會將其作為一篩或二篩的核心試驗。
2、高溫反偏的試驗條件
分立器件的高溫反偏主要采用的試驗標準有MIL-STD-750 方法1038、JESD22-A108、GJB 128A-1997 方法1038、AEC-Q101表2 B1項等。
展開 得益于全新的鈍化層概念，此產品成為市場上最耐用的汽車器件之一，具有耐濕性和耐腐蝕性。該器件基于110μm薄晶圓技術，因此在同類產品中FoM表現突出，這體現為更低的功耗，從而實現更出色的電氣性能。
與傳統的Si FRD相比，Infineon的CoolSiC汽車肖特基二極管在所有負載條件下均可將 OBC 能效提高一個百分點。
使用SiC和GaN器件
除了上述的精心布局外，SiC元器件的另一個潛在問題在于驅動要求與IGBT器件截然不同。雖然大多數晶體管的驅動通常使用對稱電源軌（如±5V），但SiC器件需要較小的負電壓以確保完全關斷，因此需要不對稱的電源軌（如-1V至-20V）。
此外，雖然SiC具有出色的散熱特性，與硅相比導熱特性亦出類拔萃，但是SiC元器件常使用為Si器件設計的封裝，例如芯片鍵合和引線鍵合。雖然這種封裝方法與SiC配合良好，但僅適用于低頻電路（數十千赫）。一旦應用于高頻電路，寄生電容和電感就會相應增大，從而阻礙基于SiC器件充分發揮全部潛力。
同樣，要充分利用GaN器件的優勢，封裝就必須具有極低的寄生電感和出色的熱性能。嵌入式芯片封裝（類似于多層印刷電路板）等全新封裝方法，以低成本實現了所需的性能，同時還消除了引線鍵合以避免器件自身的可靠性問題。
柵極驅動器這一關鍵元件主要用作控制器與功率器件之間的接口。對于采用新器件的電子設計人員而言，柵極驅動設計始終是個難題，因此了解SiC和GaN功率器件的驅動方式就顯得尤為重要。
展開 報告主題：一文搞懂SiC功率器件的市場、應用和制造
報告作者：Dr. Victor Veliadis
Deputy Executive Director and CTO, PowerAmerica
Professor ECE North Carolina State University, Raleigh, NC USA
報告內容包含：（具體內容詳見下方全部報告內容）
SiC/GaN 性能科普
Si、SiC 或 GaN 的選擇應用差異
汽車電氣化是寬禁帶(WBG功率器件和電子裝置的一大機遇
SiC功率器件的制造
SiC襯底的生長比Si更復雜
SiC外延技術成熟度相對較高
SiC 晶圓占 SiC 器件成本的 50-70%
高壓 (+900 V) SiC 功率器件通常采用縱向配置
SiC 器件的理想阻斷電壓由其漂移層的厚度和摻雜決定
電壓和開關頻率需求推動單極與雙極 SiC 器件的選擇
SiC制造需要投資特定的設備和開發特定的工藝
...
展開 最近，國內
2條
碳化硅器件生產線有了
新進展
：
▲ 士蘭微：SiC功率器件中試線已經
通線
，將加快研發
SiC MOSFET
和
車規
模塊；
▲ 燕東微電子：傳聞與基本半導體合建
6英寸
SiC器件線，采用國產核心設備。
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士蘭微：
碳化硅中試線通線
加快車規SiC模塊
8月16日，士蘭微發布2021年
半年度
報告，上半年實現營業收入
33.08
億元，同比增長
94.05%
；實現凈利潤
4.31
億元，同比增長
1306.
52%
。
公告還提到，2021年上半年，士蘭微
硅基GaN
化合物功率半導體器件的研發在持續推進中，SiC功率器件的
中試線
已在二季度實現通線。同時，將加快SiC
MOSFET
功率器件的研發，推出自產芯片的車用SiC功率模塊。
官網資料顯示，士蘭微成立于1997年9月，2003年3月在上海證券交易所掛牌交易，是
第一家
在中國境內上市的集成電路芯片設計企業。
士蘭微還布局了化合物半導體，早在2017年12月，士蘭微就與廈門半導體投資集團有限公司共同投資220億元，在廈門規劃建設兩條12英寸的特色工藝硅芯片生產線和一條4/6英寸化合物半導體器件生產線。2020年，士蘭化合物半導體生產線正式投產。
燕東微碳化硅技改線通過驗收
基本半導體、北方華創參與其中？
展開 ▲三菱電機 Si 和SiC 功率模塊封裝對比
由于開關損耗的降低，SiC 器件能工作于20kHz 以上開關頻率，將夠顯著減小無源器件的體積和成本。
▲三菱電機 11kW Si 和SiC 逆變器體積對比，其中SiC逆變器的功率密度達到10W/cm3
▲典型的電動汽車電源架構
隨著電動汽車以及其他系統的增長，碳化硅（SiC）功率半導體市場正在經歷需求的突然激增。
這便是SiC的用武之地。基于氮化鎵（GaN）的功率半導體也正在出現。GaN和SiC都是寬帶隙技術。硅的帶隙為1.1 eV。相比之下，SiC的帶隙為3.3 eV，GaN的帶隙為3.4 eV。
SiC是一種基于硅和碳的復合半導體材料。在生產流程中，專門的SiC襯底被開發出來，然后在晶圓廠中進行加工，得到基于SiC的功率半導體。
許多基于SiC的功率半導體和競爭技術都是專用晶體管，它們可以在高電壓下開關器件的電流。它們用于電力電子領域，可以實現系統中電力的轉換和控制。
▲碳化硅智能功率模塊
與傳統硅基器件相比，SiC的擊穿場強是傳統硅基器件的10倍，導熱系數是傳統硅基器件的3倍，非常適合于高壓應用，如電源、太陽能逆變器、火車和風力渦輪機。
另外，SiC還用于制造LED。碳化硅材料各項指標均優于硅，其禁帶寬度幾乎是硅的3倍，理論工作溫度可達600℃，遠高于硅器件工作溫度。技術成熟度最高，應用潛力最大。
碳化硅器件具有更低的導通電阻。
在低擊穿電壓 (約 50V 下）,碳化硅器件的比導通 電阻僅有 1.12uΩ,是硅同類器件的約 1/100。
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ST率先推出了汽車級SiC MOSFET，并提供了STPOWER? SiC器件，該器件已經為目前上路行駛的500多萬輛乘用車提供動力。Ansys仿真技術可支持ST對影響最終電動汽車應用性能、魯棒性和可靠性的各個方面進行評估。此外，其還通過幫助提高工業電源和可持續能源應用的效率、性能和可靠性，助力支持ST第三代碳化硅MOSFET在其他市場取得成功。
其中，第三代半導體（SiC/GaN）器件、智能座艙域控制器、激光雷達、線控底盤、整車熱管理系統等前沿技術及產品將集中亮相，直觀呈現汽車產業“輕量化、電動化、智能化、網聯化、軟件化”的核心發展方向。
高頻功率拓撲與低損耗硬件設計（SiC/GaN器件、集成磁件、先進散 熱）。</p><p>高速電機驅動正向“更高轉速、更高密度、更高可靠性 ”演進，突破控 制精度、損耗抑制與系統集成瓶頸后，將在航空航天、新能源汽車、工業透 平等領域大規模落地。
三、行業分析：新能源浪潮下的增長機遇
當前功率半導體測試設備市場正迎來爆發期：
從需求端看，2025 年全球新能源汽車銷量預計突破 3000 萬輛，帶動 IGBT、SiC 器件需求激增，而每款新器件需完成至少 10 萬次功率循環測試，直接拉動設備采購量；儲能、光伏等領域的快速擴張，進一步推高對高可靠性測試設備的需求，國內市場規模預計年增 15%，2026 年將突破 80 億元。
功率器件設計十強”、“最具潛力IC設計企業”等獎項。
通過組合 Si 和 SiC 器件的使用，目前逆變器的電路有多種方案。而SiC器件可提升逆變器的效率。使用碳化硅功率器件的光伏逆變器可將系統轉換效率從 96%提升至 99%以上，能量損耗降低 50%以上，設備循環壽命提升 50倍。瑞森半導體針對光伏逆變器提供功率半導體解決方案。
本文從熱角度分析 SiC 技術設計方案的關鍵影響因素，這為發展針對 SiC 器件工作特點的高可靠互連封裝技術提供參考依據。
高功率IGBT、SiC 功率器件搭載上車，刺激上游陶瓷基板的需求，推動產業發展，近期多個公司宣布陶瓷基板項目的投產或擴建計劃。
值得注意的是，目前SiC核心器件主要由歐美企業供應，中國少數本土企業開始嶄露頭角，而日本車企偏向于選擇日本供應商。
相比IGBT，SiC功率器件具有更高開關速度、更低開關損耗、更高效率和耐用性等特點，轉化為汽車最直觀的體驗就是續航能力更長，更易于輕量化車身設計。特斯拉率先將SiC用于其爆款車型Model 3上，其也成為全球車企SiC上車的代表。
長晶設備：高質量的SiC單晶制備是整個產業鏈最為重要的一環，它直接影響了SiC器件的性能、可靠性和制造成本。
