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碳化硅(SIC)功率器件的产业化之路!-国晶微半导体

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作者:国产碳化硅肖特基选型工程师来源:国晶微半导体资讯

    SIC材料具有明显的性能优势。SiC和GaN是第三代半导体材料,与**二代半导体材料相比,具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率等性能优势,所以又叫宽禁带半导体材料,特别适用于5G射频器件和高电压功率器件。


    SIC功率器件如SICMOS,相比于Si基的IGBT,其导通电阻可以做的更低,体现在产品上面,就是尺寸降低,从而缩小体积,并且开关速度快,功耗相比于传统功率器件要大大降低。在电动车领域,电池重量大且价值量高,如果在SIC器件的使用中可以降低功耗,减小体积,那么在电池的安排上就更游刃有余;同时在高压直流充电桩中应用SIC会使得充电时间大大缩短,带来的巨大社会效益。


    行业发展的瓶颈目前在于SIC衬底成本高:目前SIC的成本是Si的4-5倍,预计未来3-5年价格会逐渐降为Si的2倍左右,SIC行业的增速取决于SIC产业链成熟的速度,目前成本较高,且SIC器件产品参数和质量还未经足够验证。


    SICMOS的产品稳定性需要时间验证:根据英飞凌2020年功率半导体应用大会上专家披露,目前SiCMOSFET真正落地的时间还非常短,在车载领域才刚开始商用(Model3中率先使用了SICMOS的功率模块),一些诸如短路耐受时间等技术指标没有提供足够多的验证,SICMOS在车载和工控等领域验证自己的稳定性和寿命等指标需要较长时间。

国产碳化硅肖特基二极管

    SiC具有前述所说的各种优势,是高压/高功率/高频的功率器件相对理想的材料,所以SiC功率器件在新能源车、充电桩、新能源发电的光伏风电等这些对效率、节能和损耗等指标比较看重的领域,具有明显的发展前景。


    高频低压用Si-IGBT,高频高压用SiCMOS,电压功率不大但是高频则用GaN。当低频、高压的情况下用Si的IGBT是**,如果稍稍高频但是电压不是很高,功率不是很高的情况下,用Si的MOSFET是**。如果既是高频又是高压的情况下,用SiC的MOSFET**。电压不需要很大,功率不需要很大,但是频率需要很高,这种情况下用GaN效果**。


    同时SICMOS在快充充电桩等领域也将大有可为。快速充电桩是将外部交流电,透过IGBT或者SICMOS转变为直流电,然后直接对新能源汽车电池进行充电,对于损耗和其自身占用体积问题也很敏感,因此不考虑成本,SICMOS比IGBT更有前景和需求,由于目前SIC的成本目前是Si的4-5倍,因此会在高功率规格的快速充电桩首先导入。在光伏领域,高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器未来的发展趋势,因此基于性能更优异的SIC材料的光伏逆变器也将是未来重要的应用趋势。


    SIC肖特基二极管的应用比传统的肖特基二极管同样有优势。碳化硅肖特基二极管相比于传统的硅快恢复二极管(SiFRD),具有理想的反向恢复特性。在器件从正向导通向反向阻断转换时,几乎没有反向恢复电流,反向恢复时间小于20ns,因此碳化硅肖特基二极管可以工作在更高的频率,在相同频率下具有更高的效率。另一个重要的特点是碳化硅肖特基二极管具有正的温度系数,随着温度的上升电阻也逐渐上升,这使得SIC肖特基二极管非常适合并联实用,增加了系统的安全性和可靠性。总结来看,SIC肖特基二极管具有的特点如下:1)几乎无开关损耗;2)更高的开关频率;3)更高的效率;4)更高的工作温度;5)正的温度系数,适合于并联工作,6)开关特性几乎与温度无关。


    由于碳化硅材料特殊的物理性质,其晶体生长、晶体切割、晶片加工等环节的技术和工艺要求高,需要长期投入和深耕才能形成产业化生产能力,行业门槛很高。

碳化硅功率器件在太阳能方面的应用

    后进入的碳化硅晶片生产商在短期内形成规模化供应能力存在较大难度,市场供给仍主要依靠现有晶片生产商扩大自身生产能力,国内碳化硅晶片供给不足的局面预计仍将维持一段时间。


    无锡国晶微半导体技术有限公司是宽禁带第三代半导体碳化硅SiC功率器件、氮化镓GaN光电器件以及常规集成电路研发及产业化的高科技创新型企业,从事碳化硅场效应管,碳化硅肖特基二极管、GaN光电光耦继电器、单片机集成电路等产品芯片设计、生产与销售并提供相关产品整体方案设计配套服务,总部位于江苏省无锡市高新技术开发区内,并在杭州、深圳和香港设有研发中心和销售服务支持中心及办事处。


    公司具有国内领先的研发实力,专注于为客户提供高效能、低功耗、低阻值、品质稳定的碳化硅高低功率器件及光电集成电路产品,同时提供一站式的应用解决方案和现场技术支持服务,使客户的系统性能优异、灵活可靠,并具有成本竞争力。


    公司的碳化硅功率器件涵盖650V/2A-100A,1200V/2A-90A,1700V/5A-80A等系列,产品已经投入批量生产,产品完全可以对标国际品牌同行的先进品质及水平。先后推出全电流电压等级碳化硅肖特基二极管、通过工业级、车规级可靠性测试的碳化硅MOSFET系列产品,性能达到国际先进水平,应用于太阳能逆变电源、新能源电动汽车及充电桩、智能电网、高频电焊、轨道交通、工业控制特种电源、国防军工等领域。由于其具有高速开关和低导通电阻的特性,即使在高温条件下也能体现优异的电气特性,大幅降低开关损耗,使元器件更小型化及轻量化,效能更高效,提高系统整体可靠性,可使电动汽车在续航里程提升10%,整车重量降低5%左右,并实现设计用充电桩的高温环境下安全、稳定运行。


    特别在高低压光耦半导体技术方面更是拥有业内领先的研发团队。在国内创先设计开发了28nm光敏光栅开关PVG芯片技术,并成功量产应用于60V、400V、600V高低压、低内阻、低电容的光电耦合继电器芯片、涵盖1500kVrmsSOP超小封装及3750kVrms隔离增强型常规SMD、DIP等不同封装,单路、双路、混合双路、常开常闭等电路产品,另包括200VSOIMOS/LIGBT集成芯片、100VCMOS/LDMOS集成芯片、8bit及32bit单片机等集成电路产品,均获得市场及各重点科研单位、检测机构的新产品认定。


    公司核心研发团队中大部分工程师拥有硕士及以上学位,并有多名博士主持项目的开发。公司建立了科技创新和知识产权管理的规范体系,在电路设计、半导体器件及工艺设计、可靠性设计、器件模型提取等方面积累了众多核心技术,拥有多项国际、国内自主发明专利。


    “国之重器,从晶出发,自强自主,成就百年”是国晶微半导体的企业目标,我们为员工提供精彩的发展空间,为客户提供精良的产品服务,我们真诚期待与您携手共赢未来。

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