SiC具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導率高以及電子飽和速度高等優(yōu)點。
SiC陶瓷的導熱率超過BeO, 達·270W/(K·m) 熱膨脹率 接近SiC, 強度是Al2O3的兩 倍, 絕 緣 電阻高, 但可變電阻特性的絕緣耐壓/介電特性比Al2O3差。
高致密碳化硅陶瓷制備方法包括反應燒結法、無壓燒結(常壓燒結)法、熱壓燒結法、熱等靜壓燒結法等。
學界關注較多的是熱壓燒結的辦法,即在制備以SiC為原材料制備陶瓷基板時,在其中添加少量的BeO和B2O3可以增加它的電阻率。采用不同的燒結方法、燒結助劑制備出的不同純度的SiC陶瓷。燒結時,其室溫下熱導率為 100~490 W/( m·K) ;在1900 ℃以上的溫度中使用熱壓燒結,制備出的SiC陶瓷密度達98%以上, 平均晶粒度約為6微米。
這里采用了高導熱率的原理,由于BeO難于在SiC中固溶,原料中所含的各種不純物在高溫及真空中蒸發(fā),因此作為聲子散亂的最大因素的不純物固溶少 , 使的導熱率比原來提高約50%。
由于SiC陶瓷的介電常數(shù)非常大,因而其只適合低頻應用,并不適合高頻應用。目前,主要應用在高溫應用領域、加熱與熱交換工業(yè)領域、汽車領域、腐蝕環(huán)境下的應用、磨削領域、耐磨損機械領域、國防軍工及航空航天領域、光學應用領域、半導體領域的應用、核工業(yè)領域等。
根據(jù)Wolfspeed的預測,2026年碳化硅器件市場規(guī)模有望達到89億美元,碳化硅有望在新能源汽車、工業(yè)和能源、射頻市場逐步完成對硅基器件的替代。
以碳化硅為原材料的功率器件有良好的開關效率及高效的熱量積累性能,可以在升溫系統(tǒng)中保持功能穩(wěn)定,在高轉換頻率的同時擁有99%以上的逆變效率。目前SiC器件已在城市軌道交通系統(tǒng)中得以應用。
研究表明,在眾多下游市場的需求中,SiC陶瓷基板市場增長主要驅動因素來自于汽車領域,特別是新能源汽車的蓬勃發(fā)展,助推了SiC的市場增長趨勢。
根據(jù)Yole統(tǒng)計數(shù)據(jù),2021年全球SiC功率器件市場規(guī)模為10.9億美元,下游汽車電子領域占6.85億美元。其市場有望高速增長,至2027年達到62.97億美元,其中汽車電子占49.86億美元,復合增速高達 40%。
首先,800V高壓平臺為碳化硅帶來全新發(fā)展機遇。長久以來,充電速度較慢始終是純電動乘用車用戶的痛點,為提高充電功率、縮短充電時間,絕大多數(shù)的主流車企選擇高壓快充方案。為此,主機廠紛紛加速布局800V高壓平臺。據(jù)悉,在800V平臺下,SiC的性能優(yōu)勢會得到更好的發(fā)揮,總體效率提高6%-8%。預計 2023-2024 年將迎來 800V 高壓平臺的快速發(fā)展期。
未來,新能源汽車領域成為SiC陶瓷基板最大需求領域。在新能源汽車領域,碳化硅器件主要應用于逆變器中。隨著SiC MOS開始供應主驅逆變器,由于逆變器所需SiC MOS面積變大,對于陶瓷襯板的產能消耗量快速增長。
目前,特斯拉是全球碳化硅模塊用量最多的企業(yè),自Model3開始,特斯拉全系標配碳化硅MOSFET模塊替代IGBT作為逆變器功率器件。隨后,比亞迪已在碳化硅方面取得重大技術突破,在旗艦車型上大批使用碳化硅模塊,蔚來旗下ET7、ES7、ES8、EC7等車型也已經用上碳化硅電驅系統(tǒng),小鵬旗下G9亦采用了碳化硅器件。據(jù)估計,一塊標準襯板單價為400元左右,預計2027年全球采用SiC車型將達到1032萬輛,SiC車規(guī)市場規(guī)模將達到34.3億元。