碳化硅SiC應(yīng)用

上世紀(jì)五十年代以來(lái)，以硅（Si）為代表的第一代半導(dǎo)體材料取代笨重的電子管，引發(fā)了集成電路（IC）為核心的微電子領(lǐng)域迅速發(fā)展。由于硅材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場(chǎng)較低，Si在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用受到諸多限制，不適用于高頻高壓應(yīng)用場(chǎng)景，光學(xué)性能也得不到突破。以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導(dǎo)體材料在紅外激光器和高亮度的紅光二極管等方面得到廣泛應(yīng)用。

而第三代半導(dǎo)體材料包括氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）和氧化鋅（ZnO）等寬禁帶材料，具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點(diǎn)，逐步受到市場(chǎng)重視。

碳化硅（SiC）發(fā)展早，技術(shù)成熟度高，在熱導(dǎo)率的表現(xiàn)上具有顯著的優(yōu)勢(shì)，使得碳化硅器件可以在較高的溫度下運(yùn)行，而且高熱導(dǎo)率有助于器件快速降溫，從而減少冷卻系統(tǒng)，使得器件輕量化，根據(jù) CREE 的數(shù)據(jù)，相同規(guī)格的碳化硅基 MOSFET 尺寸僅為硅基MOSFET 的 1/10。同時(shí)，碳化硅具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，且不會(huì)隨著頻率的提高而降低。碳化硅器件的工作頻率可以達(dá)到硅基器件的 10 倍，相同規(guī)格的碳化硅基 MOSFET 總能量損耗僅為硅基 IGBT 的 30%。在 5G 通信、航空航天、新能源汽車(chē)、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

碳化硅應(yīng)用場(chǎng)景根據(jù)產(chǎn)品類(lèi)型可劃分為：射頻器件（功率放大器、射頻開(kāi)關(guān)、濾波器、低噪聲放大器等）、功率器件（功率二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT 等）、新能源汽車(chē)（電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車(chē)載充電系統(tǒng)、充電樁、電動(dòng)車(chē)逆變器等）、光伏發(fā)電、智能電網(wǎng)（高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器、電力電子變壓器等裝置）、軌道交通（牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機(jī)等裝置）、射頻通信。

碳化硅SiC材料特性

碳化硅SiC是由硅和碳組成的化合物半導(dǎo)體材料，在熱、化學(xué)、機(jī)械方面都非常穩(wěn)定。C原子和Si原子不同的結(jié)合方式使SiC擁有多種晶格結(jié)構(gòu)，如4H,6H,3C等等。4H-SiC因?yàn)槠漭^高的載流子遷移率，能夠提供較高的電流密度。

SiC器件相對(duì)于Si器件的優(yōu)勢(shì)主要來(lái)自三個(gè)方面：降低電能轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損耗、更容易實(shí)現(xiàn)小型化、更耐高溫。

1、降低能量損耗：SiC材料開(kāi)關(guān)損耗極低，全SiC功率模塊的開(kāi)關(guān)損耗大大低于同等IGBT模塊的開(kāi)關(guān)損耗，而且開(kāi)關(guān)頻率越高，與IGBT模塊之間的損耗差越大，這就意味著對(duì)于IGBT模塊不擅長(zhǎng)的高速開(kāi)關(guān)工作，全SiC功率模塊不僅可以大幅降低損耗還可以實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)關(guān)。

2、低阻值使得更易實(shí)現(xiàn)小型化：SiC材料具備更低的通態(tài)電阻，阻值相同的情況下可以縮小芯片的面積，SiC功率模塊的尺寸可達(dá)到僅為Si的1/10左右。

3、更耐高溫：SiC的禁帶寬度3.23ev，相應(yīng)的本征溫度可高達(dá)800攝氏度，承受的溫度相對(duì)Si更高。SiC材料擁有3.7W/cm/K的熱導(dǎo)率，而硅材料的熱導(dǎo)率僅有1.5W/cm/K，更高的熱導(dǎo)率可以帶來(lái)功率密度的顯著提升，同時(shí)散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，或者直接采用自然冷卻。

然而，碳化硅的硬度很大，莫氏硬度為9.5級(jí)，僅次于金剛石、立方氮化硼，這讓后期加工變得非常困難。

切割時(shí)的注意事項(xiàng)

SiC在使用金剛石砂輪刀片切割過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1、膠膜選擇：一般選用75μm厚度藍(lán)膜。

2、冷切水：切割過(guò)程會(huì)產(chǎn)生高溫，注意調(diào)整冷卻水流量和角度，需要添加冷卻液。

3、刀片修刀：新刀上機(jī)和切割過(guò)程中需要及時(shí)修刀，確保其刀片的鋒利性，避免刀片切削力不足導(dǎo)致產(chǎn)品崩缺。

4、主軸轉(zhuǎn)速：主軸轉(zhuǎn)速一般設(shè)定在30K-45K的區(qū)間，如果作為Z1刀開(kāi)槽，主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)50K。

5、切割工藝：如果使用激光開(kāi)槽刀輪切透的工藝，一般激光開(kāi)槽深度為10-20μm。

SiC切割可根據(jù)不同材料情況及不同要求選用不同規(guī)格的硬刀，下面是輪轂型電鍍硬刀實(shí)測(cè)案例。

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