案例分享第四期：碳化硅晶圆切割

碳化硅SiC应用

上世纪五十年代以来，以硅（Si）为代表的第一代半导体材料取代笨重的电子管，引发了集成电路（IC）为核心的微电子领域迅速发展。由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，Si在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，不适用于高频高压应用场景，光学性能也得不到突破。以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体材料在红外激光器和高亮度的红光二极管等方面得到广泛应用。

 

而第三代半导体材料包括氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）和氧化锌（ZnO）等宽禁带材料，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，逐步受到市场重视。

碳化硅（SiC）发展早，技术成熟度高，在热导率的表现上具有显著的优势，使得碳化硅器件可以在较高的温度下运行，而且高热导率有助于器件快速降温，从而减少冷却系统，使得器件轻量化，根据 CREE 的数据，相同规格的碳化硅基 MOSFET 尺寸仅为硅基MOSFET 的 1/10。同时，碳化硅具有较高的能量转换效率，且不会随着频率的提高而降低。碳化硅器件的工作频率可以达到硅基器件的 10 倍，相同规格的碳化硅基 MOSFET 总能量损耗仅为硅基 IGBT 的 30%。在 5G 通信、航空航天、新能源汽车、智能电网等领域发挥重要作用。

 

碳化硅应用场景根据产品类型可划分为：射频器件（功率放大器、射频开关、滤波器、低噪声放大器等）、功率器件（功率二极管、功率三极管、晶闸管、MOSFET、IGBT 等）、新能源汽车（电机驱动系统、车载充电系统、充电桩、电动车逆变器等）、光伏发电、智能电网（高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置）、轨道交通（牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机等装置）、射频通信。

碳化硅SiC材料特性

碳化硅SiC是由硅和碳组成的化合物半导体材料，在热、化学、机械方面都非常稳定。C原子和Si原子不同的结合方式使SiC拥有多种晶格结构，如4H,6H,3C等等。4H-SiC因为其较高的载流子迁移率，能够提供较高的电流密度。

SiC器件相对于Si器件的优势主要来自三个方面：降低电能转换过程中的能量损耗、更容易实现小型化、更耐高温。

1、 降低能量损耗：SiC材料开关损耗极低，全SiC功率模块的开关损耗大大低于同等IGBT模块的开关损耗，而且开关频率越高，与IGBT模块之间的损耗差越大，这就意味着对于IGBT模块不擅长的高速开关工作，全SiC功率模块不仅可以大幅降低损耗还可以实现高速开关。

2、 低阻值使得更易实现小型化：SiC材料具备更低的通态电阻，阻值相同的情况下可以缩小芯片的面积，SiC功率模块的尺寸可达到仅为Si的1/10左右。

3、 更耐高温：SiC的禁带宽度3.23ev，相应的本征温度可高达800摄氏度，承受的温度相对Si更高。SiC材料拥有3.7W/cm/K的热导率，而硅材料的热导率仅有1.5W/cm/K，更高的热导率可以带来功率密度的显著提升，同时散热系统的设计更简单，或者直接采用自然冷却。

然而，碳化硅的硬度很大，莫氏硬度为9.5级，仅次于金刚石、立方氮化硼，这让后期加工变得非常困难。

切割时的注意事项

SiC在使用金刚石砂轮刀片切割过程中应注意以下几点：

1、胶膜选择：一般选用75μm厚度蓝膜。

2、冷切水：切割过程会产生高温，注意调整冷却水流量和角度，需要添加冷却液。

3、刀片修刀：新刀上机和切割过程中需要及时修刀，确保其刀片的锋利性，避免刀片切削力不足导致产品崩缺。

4、主轴转速：主轴转速一般设定在30K-45K的区间，如果作为Z1刀开槽，主轴转速可达50K。

5、切割工艺：如果使用激光开槽刀轮切透的工艺，一般激光开槽深度为10-20μm。

SiC切割可根据不同材料情况及不同要求选用不同规格的硬刀，下面是轮毂型电镀硬刀实测案例。

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