碳化硅半导体的介绍及发展前景课件

碳化硅半导体的介绍及发展前景 介绍碳化硅 SiC 是用石英砂 石油焦 或煤焦 木屑为原料通过电阻炉高温冶炼而成 碳化硅在大自然也存在罕见的矿物 莫桑石 碳化硅又称碳硅石 在当代C N B等非氧化物高技术耐火原料中 碳化硅为应用最广泛 最经济的一种 可以称为金钢砂或耐火砂 碳化硅是用石英砂 石油焦 或煤焦 木屑 生产绿色碳化硅时需要加食盐 等原料在电阻炉内经高温冶炼而成 目前我国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种 均为六方晶体 比重为3 20 3 25 显微硬度为2840 3320kg mm 概述包括黑碳化硅和绿碳化硅 其中 黑碳化硅是以石英砂 石油焦和优质硅石为主要原料 通过电阻炉高温冶炼而成 其硬度介于刚玉和金刚石之间 机械强度高于刚玉 性脆而锋利 绿碳化硅是以石油焦和优质硅石为主要原料 添加食盐作为添加剂 通过电阻炉高温冶炼而成 其硬度介于刚玉和金刚石之间 机械强度高于刚玉 常用的碳化硅磨料有两种不同 1 的晶体 一种是绿碳化硅 含SiC97 以上 主要用于磨硬质含金工具 另一种是黑碳化硅 有金属光泽 含SiC95 以上 强度比绿碳化硅大 但硬度较低 主要用于磨铸铁和非金属材料 性质分子式为SiC 其硬度介于刚玉和金刚石之间 机械强度高于刚玉 可作为磨料和其他某些工业材料使用 工业用碳化硅于1891年研制成功 是最早的人造磨料 在陨石和地壳中虽有少量碳化硅存在 但迄今尚未找到可供开采的矿源 纯碳化硅是无色透明的晶体 工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同 而呈浅黄 绿 蓝乃至黑色 透明度随其纯度不同而异 碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的 SiC和立方体的 SiC 称立方碳化硅 SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体 已发现70余种 SiC于2100 以上时转变为 SiC 碳化硅的工业制法是用优质石英砂和石油焦在电阻炉内炼制 炼得的碳化硅块 经破碎 酸碱洗 磁选和筛分或水选而制成各种粒度的产品 碳化硅有黑碳化硅和绿碳化硅两个常用的基本品种 都属 SiC 黑碳化硅含SiC约98 5 其韧性高于绿碳化硅 大多用于加工抗张强度低的材料 如玻璃 陶瓷 石材 耐火材料 铸铁和有色金属等 绿碳化硅含SiC99 以上 自锐性好 大多用于加工硬质合金 钛合金和光学玻璃 也用于珩磨汽缸套和精磨高速钢刀具 此外还有立方碳化硅 它是以特殊工艺制取的黄绿色晶体 用以制作的磨具适于轴承的超精加工 可使表面粗糙度从Ra32 0 16微米一次加工到Ra0 04 0 02微米 图1黑碳化硅碳化硅由于化学性能稳定 导热系数高 热膨胀系数小 耐磨性能好 除作磨料用外 还有很多其他用途 例如 以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁 可提高其耐磨性而延长使用寿命1 2倍 用以制成的高级耐火材料 耐热震 体积小 重量轻而强度高 节能效果好 低品级碳化硅 含SiC约85 是极好的脱氧剂 用它可加快炼钢速度 并便于控制化学成分 提高钢的质量 此外 碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒 碳化硅的硬度很大 具有优良的导热性能 是一种半导体 高温时能抗氧化 中国主要产地 长白山脉 河南 青海 甘肃 宁夏 四川 贵州 湖北丹江口等地 世界各国碳化硅企业分布 Superior石墨公司 Electro磨料公司 发展及前景关于碳化硅的几个事件1905年第一次在陨石中发现碳化硅1907年第一只碳化硅发光二极管诞生1955年理论和技术上重大突破 提出生长高品质碳化概念 从此将 IC作为重要的电子材料1958年在波士顿召开第一次世界碳化硅会议进行学术交流1978年六 七十年代碳化硅主要由前苏联进行研究 到1978年首次采用 改进技术 的晶粒提纯生长方法1987年 至今以 的研究成果建立碳化硅生产线 供应商开始提供商品化的碳化硅基 BPI有限责任公司 Elmet公司 巴西圣 戈班集团公司 ESK SIC公司 NavarroSIC公司 ZAC公司 日本的YakushimaDenko和PacificRundum有限公司 碳化硅 SiC 作为一种新型半导体材料 具有潜伏的优点 更小的体积 更有效率 完全往除开关损耗 低漏极电流 比标准半导体 纯硅半导体 更高的开关频率以及在标准的125 结温以上工作的能力 小型化和高工作耐温使得这些器件的使用更加自如 甚至可以将这些器件直接置于电机的外壳内 任何一种新技术都会经历由发展到成熟的过程 SiC也不例外 标准功率开关 如尽缘栅双极型晶体管 IGBT 有很大的产品基础和优化的生产技术 而SiC却需要投进大量经费和研发资金来解决材料题目和完善半导体制造技术 然而这种功率开关器件 能够在正向导通大电流和反向截止千伏电压之间快速执行开关动作 这样的性能是值得一试的 SiC最初的成功应用和主要应用发光二极管 用于汽车头灯和仪表盘其他照明场合 其他的市场包括开关电源和肖特基势垒二极管 将来会应用到包括混合动力车辆 功率转换器 用于减小有源前置滤波器的体积 和交流 直流电机控制上 这些更高要求的应用还没有贸易化 由于它们需要高质量的材料和大规模的生产力来降低本钱 在全世界范围内 大量的研究经费投进到了公司 实验室和政府设施 Rgate值 二极管反向恢复损耗Err实际上已经几乎减小到0 94 当Rgate 25 时GBT的Eon减小了37 当Rgate 8绞保琁GBT的Eon减小了85 图2 RockwellAutomation近期的调查显示 相对于全硅模块 Si SiC混合模块可以潜伏地减小功率损耗Eon和Err 为了便于比较 全硅模块的IGBT功率损耗En被规格化为每一个单位3 3mJ 研究的结果证实了更高开关频率的可能性 在以前 更高的开关频率一直受限于纯硅二极管的反向恢复损耗 Err限制了在减小开启损耗上的进一步发展 Skibinski解释道 硅模块的供给商推荐使用一个门电阻Rgate 例如25 来平衡IGBT的开启能量损耗 Eon 关断能量损耗 Eoff 然而对于SiC二极管 门电阻Rgate就可以省往不用了 他说 SiC二极管能够降低总功率损耗 Eon Err Eoff 这一特性仔驱动上的应用有着潜伏优点 首先 在使用同样的制冷系统的条件下 它可以达到4倍的开关频率 可以使前置电磁滤波用具有更好的性能 更小的体积和更低的价格 或者 你也可以保存现在的开关频率和制冷系统 这样就可以得到更高的效率和稳定性 更低的损耗 更高的额定输出 降低的总功率损耗可以潜伏地降低制冷花费 YaskawaElectric是另一个采用SiC技术的驱动生产商 他把SiC技术应用于雷达屏幕上 YaskawaElectric总结SiC的基本的优点有 高工作温度 高开关速度 在导通和开关模式下都具有更低的损耗 这些是驱动系统更加有效率 日本小仓YaskawaElectric公司研发实验室的IEEE的特殊会员TsuneoJ Kume博士在ControlEngineering中说道 这种低损耗的特性 加上高工作结温 是碳化硅器件和制冷系统具有更小的体积 进而导致具有更高功率密度的驱动系统的成为可能 而且 高频开关性能极大地改进了控制系统的响应和带宽 Yaskawa公司正在与先进的半导体生产商密切合作 例如MitsubishiSemiconductors公司 只要技术成熟 将会推出具有先进技术的SiC器件 据Kume说 这种技术正在为实际应用和质量作进一步实验 使用这种新技术的驱动产品 暂时还没有开始开发 灵敏的 创新的 一些小型的 具有创新精神的公司往往会对先进技术产生促进作用 在SiC领域内 一个这样的例子是ArkansasPowerElectronicsInternationalInc APEI专攻对于使用SiC器件作为核心技术的高性能功率电子系统的开发 APEI公司的总裁AlexanderB Lostetter博士说 APEI公司特别关注那些用于极端环境 温度高于500 或更高 和 或具有很高功率密度的应用场合的技术 3 TranSiC的双极型碳化硅功率晶体管BitSiC1206 是一个已经和用户见面的6 A原型 30 A原型的期间计划于2007年底面世 APEI公司已经开发 制造并测试了基于SiC技术的直流和交流电机驱动 单相合三相换流器 额定功率为3kW和5kW 直流到直流转换器 Lostetter介绍公司其他方面的研究进展包括 高温封装技术 此技术使单一器件可以工作于500或500以上的环境 还有基于SiC技术的模拟 数字低压电路控制 借此可以将电路集成到工作于300 以上的功率控制系统中 同样在开发中的还有可以工作于500 温度下的基 于离散SiC结型场效应晶体管JFET junctionfield effecttransistor 的运算放大器 Lostetter说 高结温减小了电子产品的热处理系统的体积 并使其可以工作与高功率密度下 SiC专家Swedish于2005年建立了另外一家活跃于SiC功率晶体管开发的小公司 TranSiCAB 它是从斯德哥尔摩的RoyalInstituteofTechnology KTH 公司分离出来的 最近TranSiCAB成功地完成了他的具有标准TO247封装的双极型晶体管的原型论证 第一个模型BitSiC1206是一个1200V 6A的器件 TranSiC公司的CEOBoHammarlund 提到芯片的封装很成功 打开和关断的开关性能相比于同类产品也很优秀 公司从各种各样的货源购买SiC晶片和外部材料 但是关键的芯片处理全部完成与KTH的实验室中 Hammarlund解释道 BitSiC的产业封装是由一个经验丰富的外包公司完成的 但是当客户是飞行员时 TranSiC公司可以提供短周期的快速封装 由于在这种应用场合下 封装的价格和开发速度是有关的 TranSiC希看两年之内能够使BitSiC产品成熟起来并使其具有本钱效益 时下 每片这种芯片是十分昂贵的 Hammarlund解释道 我们会采用每一项本钱降低措施 我们希看在之后的2年内 每六个月本钱会降低30 下一个目标是在2006年底使BitSiC具有广大的客户群 并在TranSiC的网站上提供给书说明书 Hammarlund告诉ControlEngineering 我们的目标是在2007年底完成30A的器件原型 加上可以承受225 结温的封装原型 更高电流的期间公司的长期开发路线 不同的观点 并不是每一个人都同意碳化硅功率控制的远景 ABB公司是高功率半导体的专家 但是在2002年 瑞典的联合开发中心 他终止了SiC开发项目 公司半导体研发部对于此举措的一个解释是由Basel平面断层导致的双极导通衰减效应 这反映了一种单纯基于高电压 高功率器件和应用的远景 ABBSwitzerlandSemiconductors研发部的总工程师MunafRahimo博士说 碳化硅短期上适合低电压单极型二极管 它也有潜力用于离散高频场合中的低功率双极晶体管和结型场效应晶体管 然而 由于SiC和Si材料间更高的PN结栅高 双极性二极管仅对于额定电压高于4 5kV的器件的传导损耗方面能起到些左用 另一方面 SiC双极型晶体管并没有被这个缺点所阻碍 从长远上看 它在高压应用领域还是比其他种类的开关值得关注的 对于SiC技术的快速开关能力 ABBSemiconductors确认说 这种高频工作能力仅在低杂散电感的环境中才适用 例如低功率 低压系统中 Rahimo说 在高功率系统中 杂散电感很大 要求半导体缓慢地执行开关动作 对于SiC器件 这就意味着让它慢慢地开关 以适应缓冲器的要求 这会重新引进损耗 而这些损耗原本就是我们试图采用昂贵的SiC器件来消除的 另外 Rahimo说 现在底层材料的价格是普通材料的100倍 对于3英寸的SiC晶片 将来或许会降至10倍 固然SiC晶片的质量有所提升 器件生产商可以适用更小的模具 5mm2片 同时保证产量 但是更大尺寸的模具 例如25mm2片的50A二极管 的产量就很低了 相对于晶片直径6英寸和12英寸的单片集成电路二极管器 件 4英寸的SiC晶片 质量仍然很差 他补充道 Si晶片的生产次品率很低 领先SiC功率器件5到10年 对于高功率SiC器件的时间线可能更长 其他的开发职员也意识到了SiC的缺点 但是仍在继续开发 期待的突破 对于APEIInc 的应用 用来刺激SiC技术的突破落在器件和封装上 Lostetter说 在器件层面上 晶片产量是主要关心的 低产量意味着这种器件商品化的步伐会很慢 APEI据称和很多国际生产商合作 以图获得器件的高产量 且处于研发阶段 但是假如器件不能商品化 使用这些器件的系统也就不能商品化 公司提及的其他要点包括 对于不会降低功率密度性能的压控常闭器件的需要 以及可以经受住长期可靠性和高温环境的半导体镀金工艺 时下很多器件都是常开或者电流控制的 Lostetter解释道 使用常开器件来开发功率系统需要十分小心 特别需要小心的是当系统出现灾难性事故时候的保护 例如防止所有功率器件同时打开 直接将电源接地 图4 由APEIInc 开发的用于NASA的金星登陆机器人的全SiC材料的直流电机驱动 可以应用于500 以上的温度中 在材料层面上 APEI看到了对强模具材料的需求 在功率层上它必须长期可靠 防止扩散 耐腐蚀 机械上可靠的功率层 可以应付极端温度波动不会由于热扩张和应力破裂而产生损坏 一些原型产品已经出现 而一些SiC驱动工程仍有很长的战线 APEI提及他在于美国政府客户合作中的令人激动的发展 高功率密度三相电机驱动正在应用于美国军队的未来战斗系统 FCS 项目 此系统连