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SiC为何会突然流行,哪些应用在推动需求?

碳化硅(SiC)在各行业的应用已经有数百年历史。如今,它作为半导体材料比以往任何时候都更受市场的欢迎,这主要得益于它在工业领域的广泛应用。

碳化硅(SiC)在各行业的应用已经有数百年历史。如今,它作为半导体材料比以往任何时候都更受市场的欢迎,这主要得益于它在工业领域的广泛应用。SAjesmc

在本文中,我们将探讨SiC为什么会突然流行,哪些化学特性支撑它成为如此好的工业应用材料,以及有哪些应用在推动SiC需求的增长。SAjesmc

关于SiC的一些概念

SiC在电子领域中的应用,可以追溯到20世纪初,但直到20世纪90年代,它作为半导体材料的应用,才真正开始受到业界的重视。也正是在这个时间点,SiC首次被用做肖特基二极管、场效应晶体管和MOSFET。SiC的化学特性使其特别擅长处理高频、高功率和高温负载。只不过,即使是到了2022年,碳化硅晶圆的生产仍然非常困难,这导致它的普及进度十分缓慢。SAjesmc

在自然界中,SiC是一种极其罕见的物质,它主要存在于陨石的残余物中。当然,SiC也可以被人工合成,只是存在边缘错位、三角形缺陷等问题,这阻碍了SiC半导体的商业化进程。尽管SiC适用于许多潜在应用,但目前落地的应用还相对较少。SAjesmc

SiC是宽禁带半导体材料,比传统硅这类半导体材料有更大的能量差,具备更高的热导性能和电子性能,这些特性让SiC材料成为高功率、高温和高频应用的明星。事实上,相较于硅半导体器件,SiC器件的介电击穿强度可高10倍以上、能带隙和导热系数大3倍以上。这些性能优势可以提高系统整体效率、功率密度,降低系统损耗。SAjesmc

如前文所述,SiC半导体材料来应用已为人所知,但因生产困难使得普及速度缓慢。现在,Wolfspeed、Infineon(英飞凌)、onsemi(安森美)等企业改进了SiC的制造工艺,这基本上让“担心SiC器件质量问题”的质疑成为过去式。SAjesmc

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哪些应用在推动SiC的发展?

目前,具有SiC专业知识的半导体制造商,发现自己正处于非常有利的位置。制造工艺显著改进,提高了SiC的产量和可靠性。同时,对SiC材料性能要求更高的应用迅速增加,SiC设备市场也正以惊人的速度增长。SAjesmc

让我们看看SiC正在哪些行业站稳脚跟。SAjesmc

·电动汽车

SiC半导体增长最快的市场是电动汽车及其充电系统。SiC是当前电机驱动的最优选择,不仅适用于电动汽车,也适用于电动火车。SAjesmc

电机驱动系统通常要求体积更小、重量更轻,SiC具备高性能尺寸比、可帮助系统减少尺寸和降低重量,这是提高电动汽车效率的关键因素。SAjesmc

另外,SiC也适用于车载充电系统应用。众所周知,阻碍电动汽车普及的最大障碍是充电时间过久,制造商正在寻找缩短充电时间的方法——在很多人看来这个方法就是SiC。在非车载充电解决方案中使用SiC功率器件,通过利用SiC的快速开关速度和高功率传输性能,电动汽车充电站运营商把汽车充电时间缩短了2倍以上,为电动汽车消费者提供了更好的充电性能。SAjesmc

·数据中心和不间断电源

许多企业正在考虑进行数字化转型,数据中心在垂直领域的作用也越来越大。数据中心可充当各种关键任务数据的中枢神经系统,对持续地改善和优化业务运营至关重要,不过这也付出了相应的代价——数据中心的运营需要消耗大量的电力。SAjesmc

据国际能源署(IEA)估计,数据中心消耗了全球1%的电力,这还不包括加密货币挖矿所消耗的电力。这种能源消耗的重要驱动因素之一是——维持数据中心设备温度所消耗的电力,比如空调和风扇系统需要每时每刻都运行。SAjesmc

SiC材料具有更高的热效率,能够在不牺牲性能的情况下运行冷却器。据Wolfspeed介绍,使用了SiC器件的电源具有更好的热性能,可节省多达40%的冷却能源成本。此外,随着功率密度的提升,使用SiC器件能助力数据中心运营商,能在更小的空间中安装更多的服务器设备。SAjesmc

数据中心另一个重要组成部分是不间断电源(UPS),它有助于确保系统即使在停电时也能正常运行。SiC因其可靠性、高效率特性,以及可提供低损耗清洁电力,在UPS设计中占有一席之地。UPS把直流电源转换为交流电源时会出现损耗——这种损耗缩短了UPS的后备电源时间。SiC有助于减少这些损耗,从而增加UPS蓄电池容量。由于SiC具备更高的功率密度,UPS系统可在不增加占地面积的情况下提供更高的性能,这是数据中心服务商在空间受限条件下的关键考虑因素。SAjesmc

SiC是未来主流的半导体材料

整个市场对电动汽车、数据中心的需求日益增长,以支持物联网、软件和其他数据密集型运营所产生的数据,SiC毫无疑问将是未来主流的半导体材料。SAjesmc

同时,制造商也开始扩大SiC产品的供应,生产工艺也在不断改进、成本不断降低。随着相关应用的增长,未来几年内SiC仍将是半导体设计的关键部分。SAjesmc

本文翻译自《国际电子商情》姊妹刊EETimes US,原文:SiC Semiconductors and the Future of the IndustrySAjesmc

责编:Clover.li
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