探究SiC功率半導(dǎo)體在電源設(shè)備上的應(yīng)用

曾建強(qiáng)

【摘要】傳統(tǒng)的硅材料很難滿(mǎn)足高溫高壓的作業(yè)要求，以碳化硅為代表的新型半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)良的表現(xiàn)，突破了電子電器發(fā)展的瓶頸。技術(shù)人員應(yīng)該強(qiáng)化硬件投入與軟件檢查，結(jié)合電源設(shè)備的實(shí)際狀況，提出針對(duì)性的解決措施，擴(kuò)大碳化硅功率半導(dǎo)體在電子元器上的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】SiC功率半導(dǎo)體、電源設(shè)備、應(yīng)用

引言：半導(dǎo)體器件的發(fā)展與國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步息息相關(guān)，當(dāng)下正處于我國(guó)能源改革的關(guān)鍵時(shí)期，功率半導(dǎo)體對(duì)能源行業(yè)有著重要的基礎(chǔ)支撐作用。半導(dǎo)體器件在電子行業(yè)中應(yīng)用廣泛，能源消耗漲幅約占10%。作為技術(shù)人員，應(yīng)該明確半導(dǎo)體發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇，推動(dòng)半導(dǎo)體研發(fā)產(chǎn)業(yè)化。

一、SiC功率半導(dǎo)體的概述

碳化硅作為一種無(wú)機(jī)物，是由石英砂、焦油、木屑等原料，通過(guò)電阻爐高溫冶煉而成。由于碳化硅優(yōu)良的性質(zhì)，在電源設(shè)備中應(yīng)用廣泛。純碳化硅是無(wú)色透明的晶體，SiC作為典型的原子晶體，其韌性高，廣泛用于鈦合金、光學(xué)玻璃等各種領(lǐng)域，碳化硅化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，導(dǎo)熱系數(shù)高，耐磨性好，大量用于制作電熱元件。自2016下半年以來(lái)，MOSFET、Rectifier、二極管等功率器件價(jià)格不斷上漲，功率器件供不應(yīng)求，年復(fù)合增長(zhǎng)率約為4%，由此可見(jiàn)SiC功率半導(dǎo)體具有廣闊的發(fā)展空間。2020年全球功率器件市場(chǎng)規(guī)模約為218億美元，合計(jì)占到整個(gè)功率器件市場(chǎng)的3/4左右。

二 、 ?SiC功率半導(dǎo)體在發(fā)展中的困境

當(dāng)下我國(guó)電子元器件行業(yè)快速發(fā)展，下端市場(chǎng)快速發(fā)展，上游的材料學(xué)更新速度較慢，難以完全滿(mǎn)足行業(yè)需要。專(zhuān)業(yè)人才匱乏和技術(shù)的策略已經(jīng)成為了制約電源行業(yè)發(fā)展的主要因素之一。SiC功率半導(dǎo)體的性能研究需要持續(xù)投入大量的資金，在后疫情時(shí)代仍是較大的挑戰(zhàn)。原廠(chǎng)缺貨漲價(jià)、工作不穩(wěn)定等問(wèn)題，制約著SiC功率半導(dǎo)體行業(yè)的穩(wěn)步增長(zhǎng)。SiC功率半導(dǎo)體涉及了多重領(lǐng)域知識(shí)，而部分作業(yè)人員專(zhuān)業(yè)知識(shí)比較欠缺，缺乏有效的數(shù)據(jù)意識(shí)，對(duì)材料學(xué)、電子學(xué)、智能控制領(lǐng)域認(rèn)識(shí)不清，內(nèi)部缺乏有效的數(shù)據(jù)管理機(jī)制，日常作業(yè)系統(tǒng)混亂。各個(gè)工序之間的協(xié)調(diào)性較差。電源的集成性較差。

電源是是整個(gè)電源中的供能設(shè)備，日常作業(yè)壓力較大，容易出現(xiàn)電荷遷移、引發(fā)漏電現(xiàn)象，部分晶體管本身介質(zhì)較薄，容易出現(xiàn)不可見(jiàn)的缺陷。此外，電源需要耦合大量信息，在執(zhí)行命令過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

三、SiC功率半導(dǎo)體在電源設(shè)備上的措施

碳化硅硬度大，具有耐高熱性，導(dǎo)熱性較強(qiáng)，是優(yōu)良的半導(dǎo)體材料。SiC功率半導(dǎo)體在生產(chǎn)過(guò)程中可能會(huì)存在一定的缺陷，在外界應(yīng)力過(guò)大時(shí)就容易出現(xiàn)時(shí)效問(wèn)題。篩選SiC功率半導(dǎo)體的應(yīng)該采用合理的標(biāo)準(zhǔn)化方法，進(jìn)行一些非破壞性的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)多樣化的手段剔除存在潛在缺陷的SiC功率半導(dǎo)體，以保證電源設(shè)備使用的穩(wěn)定性。在整個(gè)篩選過(guò)程中要嚴(yán)格采取靜電保護(hù)措施，避免對(duì)SiC功率半導(dǎo)體的傷害，根據(jù)分析結(jié)果查明是否存在批次性問(wèn)題，對(duì)批次性問(wèn)題應(yīng)該采取直接淘汰的方法。碳化硅功率器件的功率主要在1kw-500kw之間、工作頻率在10KHz-100MHz之間的場(chǎng)景，因此在實(shí)際應(yīng)用中，可以聯(lián)合使用硅基MOSFET與IGBT，將工作流程分為執(zhí)行、輸出、刷新三個(gè)階段，保證生產(chǎn)線(xiàn)作業(yè)流程化、模式化，降低工作壓力，有效延長(zhǎng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺(tái)的使用壽命。

四、SiC功率半導(dǎo)體在電源設(shè)備上的應(yīng)用

（一）二極管

半導(dǎo)體本身作為一種特殊材料。半導(dǎo)體發(fā)光二極管是一種可以發(fā)光的材料，主要的原料是碳化硅，其發(fā)光程度肉眼可見(jiàn)。在不斷發(fā)展過(guò)程中，發(fā)光二極管可以判斷邏輯與非的命令。目前發(fā)光二極管與激光二極管聯(lián)合應(yīng)用形成超輻射發(fā)光二極管，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

（二）半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器作為發(fā)光二極管的進(jìn)一步改良和發(fā)展，半導(dǎo)體激光器結(jié)合了碳化硅材料的優(yōu)點(diǎn)，它以二極管或者是為基礎(chǔ)材料，能量轉(zhuǎn)化效率較高，可采用簡(jiǎn)單的注入電流的方式來(lái)泵浦，直接由高能電子束進(jìn)行激勵(lì)，性能轉(zhuǎn)化效率高。

（三）光纖通信和傳感

傳統(tǒng)的光纖傳導(dǎo)主要是以硅單質(zhì)為主。而光纖通信利用激光作為載體，光線(xiàn)纖維作為傳輸信息的媒介，除了傳遞文字信息外，還可以傳遞圖像，數(shù)據(jù)等不同信息。光纖通信作為現(xiàn)代社會(huì)主要的傳播方式之一，SiC功率半導(dǎo)體傳送的信息量大，質(zhì)量好，保密性，整體的制造成本較低。

（五）新能源汽車(chē)

SiC功率半導(dǎo)體穩(wěn)定性較強(qiáng)，目前已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)品的生產(chǎn)中，SiC功率半導(dǎo)體有效降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自身的重量。與電動(dòng)汽車(chē)中的各項(xiàng)系統(tǒng)進(jìn)行組合能夠達(dá)到良好的效果，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)的系統(tǒng)損耗功率可降低50%以上，同時(shí)還能夠解決電路拓?fù)涞膯?wèn)題，提高整體的能量運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

五、SiC功率半導(dǎo)體的發(fā)展方向

當(dāng)下社會(huì)對(duì)電源設(shè)備的要求較高，電源的產(chǎn)品趨向于小型化和多功能化的方向發(fā)展。目前由于材料和技術(shù)的限制，只能通過(guò)電源封裝的技術(shù)來(lái)縮小體系，在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中將會(huì)綜合采取陶瓷材料借助低溫共燒封裝技術(shù)，將電源直接埋入到電器的基板中，從而有效縮小電容器的體積，滿(mǎn)足消費(fèi)者的多樣化需求。設(shè)計(jì)人員要實(shí)現(xiàn)精細(xì)化作業(yè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)操作流程的監(jiān)管，嚴(yán)格按照自動(dòng)化的操作流程，確保SiC功率半導(dǎo)體運(yùn)行的穩(wěn)定性和精確度，不斷擴(kuò)大其適用范圍。目前一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)嚴(yán)禁使用污染嚴(yán)重的金屬材料，在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中電源的將會(huì)朝著趨向于低成本、綠色化的方向發(fā)展，持續(xù)擴(kuò)大SiC功率半導(dǎo)體的應(yīng)用范圍，逐漸發(fā)展可替代性的材料，整合MC M、芯片組裝技術(shù)不斷縮小電源設(shè)備的體系，通過(guò)集成化管理，在降低整體的生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上，提高整體的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

總結(jié)：SiC功率半導(dǎo)體在是推動(dòng)電源行業(yè)發(fā)展的硬件基礎(chǔ)，但目前我國(guó)半導(dǎo)體電子器件的領(lǐng)域不夠深入，在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，需要持續(xù)探索結(jié)合硬件信息和軟件參數(shù)。充分發(fā)揮碳化硅的穩(wěn)定特性，強(qiáng)化對(duì)SiC功率半導(dǎo)體的篩選，基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢驗(yàn)方法，快速確定工藝條件，深入分析電源設(shè)備所出現(xiàn)的突出問(wèn)題，積累經(jīng)驗(yàn)，完善生產(chǎn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)后續(xù)的批量生產(chǎn)，有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量，推動(dòng)電源設(shè)備的自動(dòng)化、智能化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王曉雄. 半導(dǎo)體光電子器件及其應(yīng)用[J]. 大眾標(biāo)準(zhǔn)化， 2020， （13）：99-100.

[2] 趙剛. 高壓SiC功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展現(xiàn)狀與解決措施[J]. 今日自動(dòng)化， 2020， （7）：15-16，79.

[3] 鄒軍，吳紅飛，劉越，葛子賢，楊柳.基于低高度平面電感的GaN-Si混合型圖騰柱無(wú)橋功率因數(shù)校正器.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2021，第36卷，第20期