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  • 功率半导体碳化硅(SiC)技术 Silicon Carbide Adoption Enters Next Phase 碳化硅(SiC)技术的需求继续增长,这种技术可以最大限度地提高当今电力系统的效率,同时降低其尺寸、重量和成本。但碳化硅溶液并不是硅的...

    功率半导体碳化硅(SiC)技术

    Silicon Carbide Adoption Enters Next Phase

    碳化硅(SiC)技术的需求继续增长,这种技术可以最大限度地提高当今电力系统的效率,同时降低其尺寸、重量和成本。但碳化硅溶液并不是硅的替代品,它们也并非都是一样的。为了实现碳化硅技术的承诺,开发人员必须仔细评估基于质量、供应和支持的产品和供应商选项,并且他们必须了解如何优化将这些破坏性碳化硅电源组件集成到其最终系统中。

    对功率半导体器件的需求日益增长,推动了宽带隙半导体市场的发展。主要参与者一直在投资于SiC和GaN材料和晶圆的开发和大规模生产。WBG市场走向何方?谁是主导者?它们如何解决数十年来一直存在的成本高、数量有限和供应链受限的问题?这个EE时代的特别项目将揭示WBG半导体市场的技术、应用和动态。

    越来越多的采用

    碳化硅技术正处于一个急剧上升的采用曲线上。随着来自多个组件供应商的选择范围越来越广,产品可用性也越来越高。该市场在过去三年中翻了一番,预计在未来10年内将增长20倍,价值超过100亿美元。其应用范围正在超越车载混合动力和电动汽车(H/EV)应用,扩展到列车、重型车辆、工业设备和电动汽车充电基础设施内的非自动动力和电机控制系统。航空和国防供应商也在努力提高碳化硅的质量和可靠性,以满足这些行业对部件坚固性的严格要求。

    碳化硅开发计划的一个关键部分是验证碳化硅器件的可靠性和坚固性,因为这在供应商之间有很大的不同。随着对整个系统关注度的不断提高,设计人员也需要对供应商的产品供应范围进行评估。重要的是,设计师与供应商合作,提供灵活的解决方案,如模具、离散和模块选项,这些选项由全球分销和支持,以及全面的设计模拟和开发工具支持。希望将来证明其设计的开发人员还需要探索最新的功能,例如数字可编程门驱动程序,它可以解决早期的实现问题,同时通过按键实现系统性能“调整”。

    足够的雪崩能力是至关重要的:即使是无源器件的小故障也可能导致超过额定击穿电压的瞬态电压尖峰,最终导致设备或整个系统的故障。具有足够雪崩能力的sicmosfet减少了对缓冲电路的需求,延长了应用寿命。最好的选择显示高达25焦耳每平方厘米(J/cm~2)的用户界面能力。即使在重复进行100000次UIS(RUIS)测试之后,这些设备也几乎没有参数退化。              
    

    第二个关键测试是短路耐受时间(SCWT),即在钢轨对钢轨短路条件下,设备故障前的最长时间。其结果应与用于功率转换的igbt接近,其中大多数igbt具有5到10微秒的SCWT。确保足够的SCWT使系统有机会在不损坏系统的情况下运行故障条件。

    第三个关键指标是SiC MOSFET本征体二极管的正向电压稳定性。这在不同的供应商之间可能有很大的不同。如果没有合适的器件设计、工艺和材料,这种二极管的导电性在工作过程中可能会降低,从而导致通态漏源电阻(RDSon)的增加。图1揭示了存在的差异。在俄亥俄州立大学进行的一项研究中,对三家供应商的mosfet进行了评估。结果表明,供应商B的所有器件正向电流均出现退化,而供应商C的mosfet则没有退化。
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    图1. 单击图像放大。SiC mosfet的正向特性,显示了供应商在体二极管退化方面的差异。(俄亥俄州立大学Anant Agarwal博士和Min Seok Kang博士。)

    一旦设备可靠性得到验证,下一步就是评估这些设备周围的生态系统,包括产品选择的广度、可靠的供应链和设计支持。

    供应、支持和系统级设计

    随着碳化硅供应商数量的不断增加,如今的碳化硅公司可以在设备选择上有所不同,此外,还可以提供支持和供应许多严格的碳化硅市场(如汽车、航空航天和国防)的经验和基础设施。

    电力系统的设计随着时间的推移和设计的不同世代而不断改进。碳化硅的应用也不例外。早期的设计可以在非常标准的通孔或表面安装封装选项中使用广泛可用的标准离散电源产品。随着应用程序数量的增长和设计师专注于减小尺寸、重量和成本,他们通常会将设计转移到集成电源模块,或者选择三方合作伙伴关系。这三方合作伙伴包括最终产品设计团队、模块制造商和碳化硅模具供应商。它们在实现总体设计目标方面都起着关键作用。

    供应链问题是快速增长的碳化硅市场中一个关键和合理的关注点。碳化硅基片材料是碳化硅模具制造流程中成本最高的材料。此外,碳化硅制造需要开发硅基电力产品和集成电路所不需要的高温制造设备。设计人员必须确保碳化硅供应商有一个强大的供应链模型,包括在自然灾害或重大产量问题时的多个生产地点,以确保供应始终能够满足需求。许多组件供应商还终止了老一代设备的使用寿命(EOL),迫使设计师花费时间和资源重新设计现有的应用程序,而不是开发有助于降低最终产品成本和增加收入的新的创新设计。

    设计支持也很关键,包括有助于缩短开发周期的仿真工具和参考设计。通过解决SiC设备的控制和驱动问题的解决方案,开发人员可以探索诸如增强交换之类的新功能,以实现整个系统方法的全部价值。图2显示了一个基于SIC的系统设计,集成了数字可编程门驱动器,进一步加快了生产时间,同时创造了优化设计的新方法。
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    图2. 模块适配器板与栅极驱动核心相结合,提供了一个通过增强交换快速评估和优化新型SiC功率器件的平台。

    设计优化的新选择

    数字可编程门控驱动器选项通过增强开关最大限度地提高了SiC的效益。它们可以方便地配置SiC MOSFET的开关时间和电压水平,因此设计者可以加快开关速度,提高系统效率,同时降低与栅极驱动器开发相关的时间和复杂性。开发人员不必手动改变PCB,而是可以使用配置软件,通过按键来优化基于SiC的设计,在加快上市时间的同时,提高效率和故障保护。
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    图3. 使用数字可编程门驱动器实现最新的增强开关技术有助于解决碳化硅噪声问题,加快短路响应,有助于管理电压超调问题,并将过热降至最低。

    随着SiC在更广泛的应用中的应用日益广泛,早期的SiC采用者已经在汽车、工业、航空航天和国防领域实现了收益。成功将继续依赖于验证SiC器件可靠性和坚固性的能力。当开发人员采用整体解决方案策略时,他们将需要一个完整可靠的全球供应链和所有必要的设计模拟和开发工具支持的综合产品组合。他们还将有新的机会,通过数字可编程门控驱动的软件可配置设计优化的新功能,在未来进行经得起考验的投资。

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    作为碳化硅器件的业界最强,wassersun(水光半导体)以突破千万量级产品应用,已经广泛应用于工业自动化,电力技术,动力系统等领域。
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  •  碳化硅SiC是功率半导体器件晶片的理想材料,其优点是禁带宽,工作温度高(可达600℃)、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、DNI结耐压高等,有利于制造出耐高温的高频大功率的半导体开关器件,如SiC...
  • 硅与碳的唯一合成物就是碳化硅 (SiC),俗称金刚砂。 SiC 在自然界中以矿物碳硅石的形式存在,但十分稀少。 不过,自 1893 年以来,粉状碳化硅已被大量生产用作研磨剂。 碳化硅用作研磨剂已有一百多年的历史,主要...

      硅与碳的唯一合成物就是碳化硅 (SiC),俗称金刚砂。 SiC 在自然界中以矿物碳硅石的形式存在,但十分稀少。 不过,自 1893 年以来,粉状碳化硅已被大量生产用作研磨剂。 碳化硅用作研磨剂已有一百多年的历史,主要用于磨轮和众多其他研磨应用。

      利用当代技术,人们已使用 SiC 开发出高质量的工业级陶瓷。这些陶瓷展现出颇具优势的机械特性,如:

      高硬度

      高强度

      低密度

      高弹性模量

      高抗热震性

      优越的化学惰性

      高导热率

      低热膨胀

      这些高强度、较持久耐用的陶瓷广泛用于各类应用,如汽车制动器和离合器,以及嵌入防弹背心的陶瓷板。 碳化硅也用于在高温和/或高压环境中工作的半导体电子设备,如火焰点火器、电阻加热元件以及恶劣环境下的电子元器件。


      SiC 在汽车中的应用

      碳化硅在汽车中的一个主要用途就是高性能“陶瓷”制动盘。 硅与复合材料中的石墨结合形成了碳纤维增强碳化硅 (C/SiC)。 这种制动盘用于一些运动型轿车、超级跑车以及其它顶级车型。

      SiC 在汽车中的另一个应用是用作油品添加剂。 作此用途时,SiC 可减少摩擦、辐射以及谐波。


      SiC 的早期应用

      LED

      电致发光现象最早于 1907 年使用碳化硅发光二极管 (LED) 发现。 很快,第一批商用 SiC 基 LED 就生产出来了。 20 世纪 70 年代,前苏联生产出了黄色 SiC LED,20 世纪 80 年代蓝色 LED 在世界范围内广泛生产。 后来推出了氮化镓 (GaN) LED,这种 LED 发出的光比 SiC LED 明亮数十倍乃至上百倍,SiC LED 也因此几乎停产。 然而,SiC 仍然是常用于 GaN 设备的基底,同时还用作高功率 LED 散热器。


      避雷器

      达到阈值电压 (VT) 前,SiC 都具有较高的电阻。达到阈值电压后,其电阻将大幅下降,直至施加的电压降到 VT 以下。 最早利用该特性的 SiC 电气应用是配电系统中的避雷器(图 1)。

      

    SiC 避雷器应用图片

      图 1:SiC 避雷器应用。


      由于 SiC 拥有压敏电阻,因此 SiC 芯块柱可连接在高压电线和地面之间。 如电源线遭雷击,线路电压将上升并超过 SiC 避雷器的阈值电压 (VT),从而将雷击电流导向并传至地面(而非电力线),因此不会造成任何伤害。 但是,这些 SiC 避雷器在电力线正常工作电压下过于导电。 因而必须串联一个火花隙。 当雷击使电源线导线的电压上升时,火花隙将离子化并导电,将 SiC 避雷器有效地连接在电力线和地面之间。 后来,相关人员发现避雷器中使用的火花隙并不可靠。 由于材料失效、灰尘或盐侵等原因,可能出现火花隙在需要时无法触发电弧,或者电弧在闪电结束后无法猝熄的情况。 SiC 避雷器本来是用来消除对火花隙的依赖的,但由于其不可靠,有间隙的 SiC 避雷器大多被使用氧化锌芯块的无间隙变阻器所取代。


      电力电子中的 SiC

      使用 SiC 生产的半导体设备有多种,包括肖特基二极管(也称肖特基势垒二极管,或 SBD)、J 型 FET(或 JFET),以及用于大功率开关应用的 MOSFET。 SemiSouth Laboratories(已于 2013 年倒闭)在 2008 年推出了第一款商用 1200 V JFET,Cree 在 2011 年生产了第一款商用 1200 V MOSFET。 在此期间,一些公司也开始尝试将 SiC 肖特基二极管裸芯片应用到电力电子模块中。 事实上,SiC SBD 已广泛用于 IGBT 电源模块和功率因数校正 (PFC) 电路。

      

    肖特基二极管、JFET 和 MOSFET 图片

      图 2:SiC 元件代表:肖特基二极管、JFET 和 MOSFET(图片由 凯利讯半导体 提供)


      SiC 的利与弊

      SiC 基电力电子元件如此吸引人的一个原因就是,在既定阻断电压条件下,其掺杂密度比硅基设备几乎高出百倍。 这样就可以通过低导通电阻获得高阻断电压。 低导通电阻对高功率应用至关重要,因为导通电阻降低时发热少,从而减少了系统热负荷并提高了整体效率。

      但生产 SiC 基电子元器件本身也存在一些难点,消除缺陷成了最重要的问题。 这些缺陷会导致 SiC 晶体制成的元器件反向阻断性能较差。 除了晶体质量问题,二氧化硅和 SiC 的接口问题也阻碍了 SiC 基功率 MOSFET 和绝缘栅双极型晶体的发展。 幸运的是,生产中使用渗氮工艺可使造成这些接口问题的缺陷大大降低。


      SiC 研磨片

      碳化硅仍然在许多工业应用中用作研磨剂。 其在电子行业中主要用作抛光膜,用于在拼接前为光导纤维的两端抛光。 这些膜片能够给光纤接头带来有效运作所需的高光洁度。


      结论

      碳化硅的生产已有一百多年的历史, 但直到最近才用于电力电子行业。 由于其具备特殊的物理和电气特性,在高压和高温应用中十分有用。

      

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  • 山东天岳成立于2011年12月,是以第三代半导体碳化硅材料为主的高新技术企业。 其投资建成了第三代半导体产业化基地,具备研发、生产、国际先进水平的半导体衬底材料的软硬件条件,是我国第三代半导体衬底材料行业的...
        
    雷刚 发自 凹非寺 
    量子位 报道 | 公众号 QbitAI

    还记得华为旗下的“哈勃科技投资”吗?

    没错,就是注资7亿元,由华为100%控股的投资机构。

    最近已悄然完成2次出手,而且均是对芯片半导体上下游的投资布局。

    一家名为山东天岳,另一家叫作杰华特微电子,都是半导体领域名不见经传、但又大有内涵的产业公司。

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    华为投资首次出手

    根据工商变更信息,华为两次出手完成变更都发生在美国打压之后。

    杰华特微电子的入股变更发生在7月。

    山东天岳的入股变更则发生于8月。

    其中,华为占股山东天岳10%,而杰华特微电子则未披露——未超过10%。

    那么这两家公司分别做什么的呢?

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    山东天岳

    山东天岳相对低调,按照其官网企业介绍。

    山东天岳成立于2011年12月,是以第三代半导体碳化硅材料为主的高新技术企业。

    其投资建成了第三代半导体产业化基地,具备研发、生产、国际先进水平的半导体衬底材料的软硬件条件,是我国第三代半导体衬底材料行业的先进企业。

    山东天岳称:公司是国家工信部主管下的中国宽禁带半导体产业联盟理事长单位,是中国战略性新兴产业企业理事联盟副理事长单位。

    在科研实力和荣誉方面,山东天岳介绍如下:

    公司拥有1个国家级博士后科研工作站,2个省级研发平台,拥有专利 70 余项,其中发明专利 20 余项,获得 2013年山东省技术发明一等奖。

    公司技术力量雄厚,在国外设有4个研发中心,拥有7名博士领衔的国内研发团队和国外60余位行业专家。公司先后承担国家新材料研发与产业专项、国家863计划项目、国家重大科技成果转化专项等十余项国家、省、市科研及重点产业化项目。

    不过对于山东天岳,最受关注的还是其核心产品——碳化硅材料。

    碳化硅是制造高温、高频、大功率半导体器件的理想衬底材料,综合性能较硅材料可提升上千倍,被誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”,是光电子和微电子等产业的“新发动机”。

    也被形容为继硅、砷化镓半导体之后最新发展起来的第三代半导体材料。并且对建设5G帮助很大。

    之前市场报告还称,碳化硅材料技术难度极高——全球仅4家量产,同时具备了导电型和高纯半绝缘两种工艺,尺寸覆盖2-6英寸。

    而山东天岳就是其中一家。

    杰华特微电子

    杰华特微电子则相对高调得多。

    官网介绍称,杰华特微电子成立于2013年3月,注册资本5500万元,总部位于杭州,目前在美国、韩国,中国张家港、深圳、厦门等地设有分公司。

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    杰华特微电子主攻功率管理芯片研究,为电力、通信、电动汽车等行业用户提供系统的解决方案与产品服务,产品集中在电池管理,LED照明,DC/DC转换器等方面。

    在华为投资前,杰华特已经完成多轮融资,投资方包括华睿投资、鑫元基金、中电海康、中银浙商产业基金、聚源资本、同创伟业。

    华为哈勃

    最后,再次介绍一下2018年成立的哈勃科技投资有限公司。

    注册资本7亿元人民币,由华为投资控股有限公司100%控股。

    法定代表人、董事长以及总经理则由白熠担任。

    经营范围只有一项:创业投资业务。

    白熠是华为内部财务的老员工,现任华为全球金融风险控制中心总裁。曾担任华为财务管理办公室副总裁。

    这是华为近年来在创投领域的最大变革动作。

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    之前华为内部一度有业务原则:下不碰数据、上不碰应用,中不做投资。

    但对于“不碰股权”这一条,其实外界也有不少呼声。

    因为随着AI等技术进一步深入,影响和变革的领域正在大为拓展,很多领域的布局光靠自研难以做到小快灵,而且Google、阿里巴巴、腾讯等公司,这几年依靠业务+投资双驱动,发挥了更大作用力。

    对于重视基础科研、技术扎实著称的华为来说,外界类似呼声也在日益提升。

    现在华为成立创业投资为主业的全资子公司,可能也是理清了思路。

    当然,公司取名寓意深远——哈勃科技投资。

    众所周知的是,哈勃以天文望远镜著称,太空探索发现也离不开哈勃。

    华为以“哈勃”为名,寓意不言自明。

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半导体碳化硅