O carboneto de silício (SiC) está evoluindo nas indústrias de semicondutores e eletrônica de potência, bem como em aplicações em sistemas de alta temperatura. O carboneto de silício metálico é necessário para alimentar veículos elétricos, sistemas aeroespaciais e infraestrutura de energia renovável, pois é um dos materiais com maior condutividade térmica, além de ser um dos mais duráveis e eficientes em termos operacionais.
Infelizmente, nem todos os materiais de SiC apresentam o mesmo nível de qualidade. Este guia explicará as principais diferenças entre os materiais 4H SiC e 6H SiC, com base em suas aplicações e casos de uso. Também indicaremos o que evitar para aumentar a durabilidade e a estética de cada material. Vamos lá!
O que são 4H-SiC e 6H-SiC?
O arranjo atômico de carboneto de silício difere entre os politipos 4H-SiC e 6H-SiC, embora esses materiais compartilhem uma composição química comum. A pequena diferença no arranjo atômico entre esses dois politipos gera mudanças substanciais nas características elétricas, no movimento de elétrons e nas características térmicas. A seleção do material de carboneto de silício determina o desempenho dos inversores de potência em carros elétricos, controles de motores industriais e sistemas de energia de alta frequência.
Principais diferenças entre 4H-SiC e 6H-SiC
A seleção do material de SiC adequado depende da compreensão das propriedades distintas do 4H-SiC e do 6H-SiC. A seção a seguir apresenta uma análise detalhada dos parâmetros elétricos e térmicos estruturais entre o 4H-SiC e o 6H-SiC para que você possa escolher o politipo ideal para suas necessidades industriais.
Estrutura Cristalina
O desempenho do semicondutor depende do arranjo atômico, que produz diferentes velocidades de movimento dos elétrons. O 4H-SiC utiliza empilhamento hexagonal de quatro camadas, enquanto o 6H-SiC empilha seis camadas. Os diferentes arranjos atômicos entre 4H-SiC e 6H-SiC resultam em variações na mobilidade dos elétrons, além da eficiência e do tempo de resposta em sistemas semicondutores.
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O 4H-SiC permite níveis de mobilidade de elétrons de aproximadamente 950 cm²/V·s, o que o torna uma escolha ideal para amplificadores de RF e aplicações de MOSFETs de potência.
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O 6H-SiC exibe mobilidade de elétrons a ~400 cm²/V·s, o que o torna estável, mas apropriado para sistemas de controle de energia industrial e aplicações de substratos de LED que não precisam de recursos de comutação rápida.
Tensão de ruptura e lacuna de energia de banda
A ampla banda proibida de 3,26 eV no 4H-SiC permite que o material suporte altas tensões e temperaturas extremas com eficácia. O material 4H-SiC encontra seu melhor uso em inversores de veículos elétricos e aplicações de eletrônica de potência aeroespacial. A banda proibida de 3,02 eV no 6H-SiC o torna adequado para sistemas de potência moderada que exigem resistência ao calor sem exigir tolerância a altas tensões.
Condutividade térmica
O calor gerado pela eletrônica de potência de alto desempenho requer métodos eficientes de dissipação de calor para evitar falhas. O 4H-SiC apresenta melhor condutividade térmica do que o 6H-SiC quando a dissipação de calor precisa atingir níveis máximos. Engenheiros que trabalham na indústria aeroespacial desenvolvem eletrônica de potência de alta temperatura escolhendo o 4H-SiC, pois ele funciona efetivamente em ambientes operacionais severos. Sistemas de propulsão a jato, assim como satélites, dependem de unidades de controle de potência de 4H-SiC para sua capacidade de operar de forma confiável sob condições térmicas variáveis.
Onde cada um deve ser aplicado?
As organizações precisam escolher o politipo de SiC correto entre desempenho máximo e operação ineficiente em aplicações exigentes de alta potência. A análise a seguir fornece informações detalhadas sobre aplicações de 4H-SiC e 6H-SiC para auxiliar na sua seleção no setor.
Quando escolher 4H-SiC
O 4H-SiC é a opção de material mais adequada quando velocidade e eficiência energética são os principais requisitos de uma aplicação. É amplamente utilizado em:
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A fabricante de automóveis Tesla conta com MOSFETs 4H-SiC para melhorar o desempenho do inversor de seu veículo elétrico, o que leva a uma maior autonomia da bateria e capacidade de aceleração mais rápida.
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A eficiência do 4H-SiC permite melhor conversão de energia em inversores solares, bem como em sistemas de turbinas eólicas para sistemas de energia renovável.
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A automação industrial recebe benefícios da Siemens e de outras empresas que integram materiais 4H-SiC em seus acionamentos de motores e conversores de alta tensão para reduzir perdas de energia e despesas operacionais.
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O 4H-SiC mantém sua posição como o principal material nas indústrias automotiva e aeroespacial porque pode operar sob condições de alta tensão e ambientes de temperaturas extremas.
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A aeronave elétrica de próxima geração utiliza componentes 4H-SiC para obter redução de peso e melhorias na eficiência energética.
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A NASA protege componentes eletrônicos espaciais por meio da implementação de materiais 4H-SiC que proporcionam operação confiável sob condições de radiação intensa.
Quando escolher 6H-SiC
A seleção do material 6H-SiC ocorre principalmente para aplicações que exigem dopagem flexível e estruturas estáveis, em vez de capacidades de comutação rápida. É comumente utilizado em:
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O uso de substratos 6H-SiC durante a produção de LED permite que os fabricantes obtenham melhor desempenho e saídas de brilho superiores para iluminação LED de alta qualidade e painéis de exibição.
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Sensores ópticos de alta resolução funcionam com 6H-SiC para gerar emissões precisas de comprimento de onda.
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Sensores espaciais usam materiais 6H-SiC porque eles demonstram resistência excepcional a danos por radiação e possuem excelentes propriedades de estabilidade estrutural.
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A natureza econômica e a alta durabilidade do 6H-SiC o tornam adequado para aplicações que não precisam realizar comutação rápida.
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A distribuição de energia industrial, juntamente com unidades de controle, implementa sistemas de controle de energia.
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Elementos semicondutores com resistência ao calor aparecem em sistemas onde o funcionamento prolongado em temperaturas elevadas se torna necessário.
Maximizando o desempenho do SiC
Para aproveitar ao máximo o 4H-SiC e o 6H-SiC, é necessário conhecer seus pontos fortes e aplicar as melhores práticas de uso. O gerenciamento térmico, o projeto do dispositivo e os requisitos específicos da aplicação do SiC podem ser considerados por engenheiros e fabricantes para otimizar o desempenho do SiC. Algumas maneiras práticas de aumentar a eficiência do SiC são as seguintes:
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Geração de calor eficiente: permite uma geração de calor substancial com alta confiabilidade em ambientes extremos, sendo também adequado para maior uso.
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Selecione o politipo correto para a aplicação: para dispositivos eletrônicos de alta frequência e alta potência, onde eficiência e velocidade de comutação são importantes, o 4H-SiC é escolhido, enquanto o 6H-SiC é melhor para aplicações onde estabilidade estrutural e menor custo são desejados.
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Aumente a eficiência da conversão de energia: implante drivers de porta SiC de alta qualidade e projetos de circuitos de energia que minimizem as perdas de energia e façam uso total das excelentes características elétricas do SiC.
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Pense no meio ambiente: os componentes de SiC usados em ambientes aeroespaciais, automotivos e industriais devem ser testados para suportar mudanças extremas de temperatura e estresse mecânico para confiabilidade a longo prazo.
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Use técnicas avançadas de empacotamento: de acordo com a literatura, a indutância e a capacitância parasitas podem ser reduzidas usando um empacotamento adequadamente projetado, o que melhorará o desempenho geral e a longevidade do sistema.
Ao seguir essas práticas recomendadas de 4H-SiC e 6H-SiC, as indústrias poderão explorar totalmente as vantagens do 4H-SiC e 6H-SiC em aplicações de eletrônica de potência e semicondutores para obter excelente eficiência, durabilidade e custo-benefício.
Conclusão
As organizações devem selecionar materiais de SiC de acordo com seus requisitos de aplicação, pois essa decisão determina a eficiência do desempenho e a confiabilidade do sistema, bem como as despesas operacionais totais. O 4H-SiC se destaca como a melhor opção de material de SiC para aplicações exigentes de alta potência e alta frequência, além de alimentar veículos elétricos, sistemas de energia industriais e dispositivos eletrônicos aeroespaciais.
Os fabricantes precisam escolher os politipos de SiC ideais para manter vantagens competitivas quando as indústrias buscam maior eficiência e durabilidade. A seleção do material de SiC apropriado impulsionará a inovação e o sucesso de mercado por meio da otimização de energia, avanços térmicos e melhorias na durabilidade dos componentes no desenvolvimento de tecnologias de próxima geração.