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低耗能、小型化 碳化矽的時代新使命
打造新一代功率元件勢在必行

【作者: 王岫晨】   2018年10月03日 星期三

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低耗能、高效率與小型化,已經成為電子產品發展的三大主流趨勢。只不過,這三大課題偏偏卻正是最令研發人員頭疼的問題。電子產品要走向小型化,不只產品的整體外觀,連內部細微的元件也都必須一併小型化處理,然而為了提供裝置更高的能源效率,功率元件在體積的小型化方面,卻遇上了極大的瓶頸。要一次解決這樣的問題,便需要發展效率更高、性能更好,且體積也必須要小型化的新一代功率元件。


功率元件

電子裝置裡的邏輯晶片,很容易就能透過先進的晶圓微縮製程來縮小其體積。然而功率元件的微縮並不是那麼地容易。具體來說,功率元件大致上就是在電子裝置中,用於轉換高電壓大功率的AC/DC轉換器,或是以開關電力為目的二極體與MOSFET,另外還有以模組化形式存在的輸出功率模組等。


在過去,功率元件的基本材料多半都是以矽(Si)為主,這也是傳統最為普遍的半導體材料,然而在近年來,這種矽功率元件開始遭遇到低耗能、高效能與小型化等兩大挑戰,這使得新一代的半導體材料碳化矽(Silicon Carbide;SiC)開始受到重視。



圖1 : 電腦的電源適配器小型化,碳化矽扮演幕後的重要功臣。
圖1 : 電腦的電源適配器小型化,碳化矽扮演幕後的重要功臣。

碳化矽是一種能夠實現低功耗、高效率與小型化目標的功率元件,相較於矽半導體,碳化矽的特色更偏重於其功率損耗與高溫工作特性,都能優於傳統的矽半導體元件,此種材料能夠降低能源的切換損耗,既使在高溫環境下,仍具備絕佳的工作特性,因此被看中將成為新一代的高功率元件材料。


碳化矽

碳化矽不論是在熱力學、化學以及物理學等方面,都是非常安定的化合物半導體,其參數對於功率元件來說十分重要。不只特性上超越了矽半導體的低電阻、高速及高溫工作,並且還可大幅減少電力在輸送到機器過程中,各種功率轉換所導致的能源損耗。近年來隨著碳化矽材料的應用逐漸成熟,加上其在半導體領域的獨特優勢,使得碳化矽已經逐漸走向實用化,在許多大功率的應用,包括對於產品品質有嚴苛要求的車用領域,以及生活周遭對於節能與小型化特別要求的應用上,都已經可以看到碳化矽半導體的身影。


碳化矽的物性

碳化矽SiC是一種由矽﹙Si﹚與碳﹙C﹚所構成的化合物半導體材料。其結合力非常強大,使其不論在熱力學上、化學上與機械上都能夠呈現高度安定的狀態。純碳化矽是無色的,工業用碳化矽由於含有鐵質等,因而呈現棕色至黑色,晶體上彩虹般光澤則是由於表面產生的二氧化矽鈍化層所導致。



圖2 : 三種主要的碳化矽多形體
圖2 : 三種主要的碳化矽多形體

碳化矽存在許多不同的晶體型態,由於相似晶體結構的同質多型體,使得碳化矽具有同質多晶的特點。α-碳化矽(α-SiC)是這些多型體中最為常見的,在大於1700℃的溫度下形成,特色是具有六方晶體結構。另外還有類似鑽石的β-碳化矽(β-SiC),這是在低於1700℃的條件下形成的。相較於α-碳化矽,β-碳化矽擁有更大比例的表面積,因此可用於非均相催化劑的負載體。至於用於打造功率元件的碳化矽,則以4H-SiC最為適合。


SiC功率元件的開發背景

碳化矽當然不是一種全新的材料,在過去便已經存在。然而若將碳化矽應用於功率元件上,將可以達到傳統矽功率元件所無法達到的低電力轉換損耗。因此我們如果說,功率元件的應用使得碳化矽大放光彩一點都不為過。特別是在這個講求低功率耗損,強調節能課題的今日,碳化矽能以功率元件的身份粉墨登場,環保節能議題絕對功不可沒。


在傳統低電壓的DC/DC轉換器應用中,手持裝置的行動化與小型化,因此能源轉換效率高於90%以上被視為是理所當然的事。但對於非手持式的高電壓、大電流AC/DC轉換應用中,效率都還有很大的提升空間。在此同時,包括歐盟能源效率(EU Energy Efficiency)等各國節能規範,都已經開始強烈各種電氣與電子設備的能源轉換效率必須提高,更包括待機時的電力耗損必須有效降低。


這樣的狀況,使得這些電子元件的相關廠商,必須開始想辦法來降低電力轉換過程中所產生的能源損耗,他們很明白,必須找出一種能夠超越矽半導體材料特性的物質,才有辦法進一步提升功率轉換的效率。而碳化矽,正是解決這些問題的答案之一(另一種有助於提高能源效率與小型化的材料為GaN氮化鎵,更適合應用於新一代的通訊設備)。


解決能源問題

碳化矽已經被認為是解決能源效率問題的解決方案之一。若與IGBT(絕緣閘極雙極性電晶體)做比較,碳化矽功率元件約可減少85%的切換損失。除了可以大幅減少能源損耗之外,在其低阻抗、高速動作、高溫動作等方面,也可以為電子設備帶來整體應用上的好處。


一般來說,碳化矽半導體元件都會與矽元件來進行比較。通常對於功率元件來說,阻抗值會是一個與耗損直接相關的重要指標。碳化矽的特性使得其阻抗值比矽元件來得更低,其意義在於若阻抗值相同,則碳化矽元件面積可以有效縮減。通常在進行大電力的處理時,會將數個電晶體或二極體模組化來組成功率模組,在過去這樣的模組體積十分龐大,難以縮小。而現在,採用碳化矽功率元件後,整體體積比起矽元件,約可讓尺寸縮小達十分之一。



圖3 :  碳化矽的特性有助於減少損耗,近年來被研發作為解決能源問題的新方案。
圖3 : 碳化矽的特性有助於減少損耗,近年來被研發作為解決能源問題的新方案。

高速動作主要指的是碳化矽元件可藉由提高切換頻率,使得周邊元件包括變壓器、線圈、電容器等,不需採用像過去一樣的龐大體積,可以有效的縮減尺寸至原有的十分之一左右。而高溫動作意義則在於可容許元件在更高溫的狀態下工作,這意味著元件本身不需攜帶過多的散熱片,整體的冷卻系統也可更為簡化,這些都有助於縮減原本龐大的裝置體積。


也因此,高轉換效率、高切換頻率、高速動作,以及高溫動作等特性,造就了碳化矽功率元件能在比起過去還要更小的尺寸條件之下,達到相同的能源轉換效率,並同時也為系統周邊產生相同的縮減體積效益。換句話說,對於更大電力的系統,碳化矽可以用於改善整體的電力轉換效率。


而對於現有的一般電力轉換應用,碳化矽則可以有效縮減系統整體體積,達到小型化的目的。這對於本文一開始所提到的,現今電子產品發展的三大趨勢:低耗能、高效率與小型化,可以起到非常大的作用。而這也正是碳化矽在這個節能與小型化當道的年代,會被市場關注與重視的原因。


結語

碳化矽不論在熱力學、化學與物理學等方面,都是安定非常高的化合物半導體。正由於碳化矽的安定性,使得碳化矽應用於功率半導體元件的時候,其參數條件都非常優秀。碳化矽功率元件不只具備超越矽半導體的低電阻、高速工作及高溫工作特性,而且能有效降低電力輸送到機器或裝置之間時,各種功率轉換所導致的能源損耗。在過去,很多體積龐大的變壓器,現在體型都悄悄的縮小了,這正是由於碳化矽加持的緣故。碳化矽元件的市場正逐步邁入成長期,在不久的未來,碳化矽將能為我們的生活帶來更多的便利。


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