原创碳化硅陶瓷线路板,半导体功率器件的好帮手

 2021-3-25 11:49  2325 16 16 分类: PCB

在电力电子行业的发展过程中，半导体技术起到了决定性作用。其中，功率半导体器件一直被认为是电力电子设备的关键组成部分。随着电力电子技术在工业、医疗、交通、消费等行业的广泛应用，功率半导体器件直接影响着这些电力电子设备的成本和效率。自从二十世纪五十年代真空管被固态器件代替以来，以硅(Si)材料为主的功率半导体器件就一直扮演着重要的角色。功率双极性晶体管及晶闸管的问世，大大减小的电力电子设备的体积重量，同时提高了变换效率。

为了满足更高工作频率及更高功率等级的要求，IR(International Rectifier)公司研发出首款功率MOSFET，接下来的二十年，功率半导体器件进入一个蓬勃发展的时期，很多新型的功率器件，比如IGBT、GTO、IPM相继问世，并且在相关领域内得到越来越广泛的应用。功率硅器件的应用已经相当成熟，但随着日益增长的行业需求，硅器件由于其本身物理特性的限制，已经开始不适用于一些高压、高温、高效率及高功率密度的应用场合。

碳化硅(SiC)材料因其优越的物理特性，开始受到人们的关注和研究。自从碳化硅1824年被瑞典科学家Jns Jacob Berzelius发现以来，直到二十世纪五十年代后半期，才被纳入到固体器件的研究中来。二十世纪九十年代，碳化硅技术才真正意义上得到了迅速发展。

SiC材料与目前应该广泛的Si材料相比，较高的热导率决定了其高电流密度的特性，较高的禁带宽度又决定了碳化硅（SiC）陶瓷线路板的的高击穿场强和高工作温度。其优点主要可以概括为以下几点：

1) 高温工作

SiC在物理特性上拥有高度稳定的晶体结构，其能带宽度可达2.2eV至3.3eV，几乎是Si材料的两倍以上。因此，SiC所能承受的温度更高，一般而言，使用碳化硅（SiC）陶瓷线路板的功率器件所能达到的最大工作温度可到600 C。

2) 高阻断电压

与Si材料相比，SiC的击穿场强是Si的十倍多，因此使用碳化硅（SiC）陶瓷线路板的功率器件的阻断电压比Si器件高很多。

3) 低损耗

一般而言，半导体器件的导通损耗与其击穿场强成反比，故在相似的功率等级下，SiC器件的导通损耗比Si器件小很多。且使用斯利通碳化硅（SiC）陶瓷线路板的功率器件导通损耗对温度的依存度很小，随温度的变化也很小，这与传统的Si器件也有很大差别。

4) 开关速度快

SiC的热导系数几乎是Si材料的2.5倍，饱和电子漂移率是Si的2倍，所以S使用碳化硅（SiC）陶瓷线路板的功率器件能在更高的频率下工作。

综合以上优点，在相同的功率等级下，设备中功率器件的数量、散热器的体积、滤波元件体积都能大大减小，同时效率也有大幅度的提升。

我国已经成为全球最大的半导体消费国，半导体消费量占全球消费量的比重超过40%，其中以碳化硅材料（SiC）为代表的第三代半导体大功率电力电子器件是目前在电力电子领域发展最快的功率半导体器件之一。根据中国半导体行业协会统计，2019年中国半导体产业市场规模达7562亿元，同比增长15.77%。2020年H1，中国集成电路产业销售额为3539亿元，同比增长16.1%。

每一次材料的更新换代，都是产业的一次革命。碳化硅陶瓷基板在高铁、太阳能光伏、风能、电力输送、UPS不间断电源等电力电子领域均有不小单的作用。