U poređenju sa poluprovodnicima na bazi silicija, poluprovodnici od silicija (SiC) imaju značajne prednosti u frekvenciji preključivanja, gubicima, odvođenju toplote, minijaturizaciji itd.
S velikom proizvodnjom silicijum-karbidnih invertera od strane Tesle, sve više kompanija je također počelo nabavljati proizvode od silicijum-karbida.
SiC je tako "nevjerovatan", kako je, zaboga, napravljen? Koje su sada primjene? Da vidimo!
01 ☆ Rođenje SiC-a
Kao i drugi energetski poluprovodnici, industrijski lanac SiC-MOSFET-a uključujeVeza dugi kristal – supstrat – epitaksija – dizajn – proizvodnja – pakovanje.
Dugi kristal
Tokom dugog kristalnog spoja, za razliku od Tira metode pripreme koju koriste monokristali silicija, silicijum karbid uglavnom usvaja metodu fizičkog transporta gasa (PVT, poznatu i kao poboljšana Lly ili metoda sublimacije kristala), te dodatke metodi hemijskog taloženja gasa na visokim temperaturama (HTTVD).
☆ Osnovni korak
1. Ugljična čvrsta sirovina;
2. Nakon zagrijavanja, karbidna čvrsta tvar postaje plin;
3. Plin se kreće prema površini kristalne sjemenke;
4. Plin raste na površini kristalne sjemenke u kristal.
Izvor slike: „Tehnička tačka za rastavljanje PVT silicijum karbida za rast“
Različita izrada uzrokovala je dva glavna nedostatka u poređenju sa silikonskom bazom:
Prvo, proizvodnja je otežana, a prinos nizak.Temperatura gasovite faze na bazi ugljika raste iznad 2300 °C, a pritisak je 350 MPa. Cijela tamna kutija se izvodi i lako se miješa s nečistoćama. Prinos je niži od silicijske baze. Što je veći promjer, to je niži prinos.
Drugo je spor rast.Upravljanje PVT metodom je vrlo sporo, brzina je oko 0,3-0,5 mm/h, a može narasti 2 cm za 7 dana. Maksimalno može narasti samo 3-5 cm, a prečnik kristalnog ingota je uglavnom 4 inča i 6 inča.
72H na bazi silicija može narasti do visine od 2-3 m, s promjerom uglavnom od 6 inča i novim proizvodnim kapacitetom od 8 inča za 12 inča.Stoga se silicijum karbid često naziva kristalnim ingotom, a silicijum postaje kristalni štapić.
Ingoti od karbidnih silicijumskih kristala
Podloga
Nakon što je dugi kristal završen, on ulazi u proces proizvodnje supstrata.
Nakon ciljanog rezanja, brušenja (grubo brušenje, fino brušenje), poliranja (mehaničko poliranje), ultrapreciznog poliranja (hemijsko-mehaničko poliranje), dobija se silicijum-karbidna podloga.
Podloga uglavnom igra uloguuloga fizičke potpore, toplinske provodljivosti i provodljivosti.Teškoća obrade leži u tome što je silicijum karbidni materijal visoke čvrstoće, hrskav i hemijski stabilan. Stoga tradicionalne metode obrade na bazi silicija nisu pogodne za silicijum karbidnu podlogu.
Kvalitet rezanja direktno utiče na performanse i efikasnost korištenja (troškove) proizvoda od silicijum karbida, tako da se zahtijeva da bude mali, ujednačene debljine i da rezanje bude malo.
Trenutno,4-inčni i 6-inčni uglavnom koriste višelinijsku opremu za rezanje,rezanje silicijumskih kristala na tanke kriške debljine ne veće od 1 mm.
Šematski dijagram višelinijske reznice
U budućnosti, s povećanjem veličine karboniziranih silicijumskih pločica, povećat će se i zahtjevi za korištenjem materijala, a postepeno će se primjenjivati i tehnologije poput laserskog rezanja i hladnog odvajanja.
Infineon je 2018. godine preuzeo kompaniju Siltectra GmbH, koja je razvila inovativni proces poznat kao hladno kreking.
U poređenju sa tradicionalnim procesom rezanja više žica, gubitak od 1/4,Proces hladnog pucanja izgubio je samo 1/8 silicijum-karbidnog materijala.
Proširenje
Budući da silicijum-karbidni materijal ne može direktno na podlozi praviti energetske uređaje, na produžnom sloju su potrebni različiti uređaji.
Stoga, nakon što je završena proizvodnja supstrata, na supstratu se procesom ekstenzije uzgaja specifični tanki film monokristala.
Trenutno se uglavnom koristi postupak hemijskog taloženja gasova (CVD).
Dizajn
Nakon što je podloga napravljena, prelazi se na fazu dizajniranja proizvoda.
Kod MOSFET-a, fokus procesa dizajniranja je dizajn žlijeba,s jedne strane, kako bi se izbjeglo kršenje patenta(Infineon, Rohm, ST, itd., imaju patentni raspored), a s druge strane izadovoljiti proizvodljivost i troškove proizvodnje.
Izrada pločica
Nakon što je dizajn proizvoda završen, on ulazi u fazu proizvodnje pločica,i proces je otprilike sličan onome kod silicija, koji uglavnom ima sljedećih 5 koraka.
☆Korak 1: Ubrizgajte masku
Napravi se sloj filma silicijum oksida (SiO2), nanese se fotorezist, uzorak fotorezista se formira kroz korake homogenizacije, ekspozicije, razvijanja itd., a slika se prenosi na oksidni film procesom nagrizanja.
☆Korak 2: Implantacija iona
Maskirana pločica silicijum karbida se stavlja u ionski implanter, gdje se ubrizgavaju ioni aluminija kako bi se formirala zona dopiranja P-tipa, i žari se kako bi se aktivirali implantirani ioni aluminija.
Oksidni film se uklanja, dušikovi ioni se ubrizgavaju u specifično područje P-tipa dopiranja kako bi se formiralo N-tip provodljivo područje odvoda i izvora, a implantirani dušikovi ioni se žare kako bi se aktivirali.
☆Korak 3: Napravite mrežu
Napravite mrežu. U području između izvora i odvoda, sloj oksida gejta se priprema procesom oksidacije na visokoj temperaturi, a sloj elektrode gejta se taloži kako bi se formirala struktura za kontrolu gejta.
☆Korak 4: Izrada pasivizacijskih slojeva
Napravljen je pasivizirajući sloj. Nanesite pasivizirajući sloj s dobrim izolacijskim karakteristikama kako biste spriječili međuelektrodni proboj.
☆Korak 5: Napravite elektrode za odvod-izvor
Napravite odvod i izvor. Pasivacijski sloj se perforira, a metal se raspršuje kako bi se formirali odvod i izvor.
Izvor fotografije: Xinxi Capital
Iako postoji mala razlika između procesnog nivoa i materijala na bazi silicija, zbog karakteristika materijala od silicijum karbida,Implantacija ionima i žarenje moraju se provoditi u okruženju visoke temperature(do 1600 °C), visoka temperatura će uticati na rešetkastu strukturu samog materijala, a teškoća će takođe uticati na prinos.
Osim toga, za MOSFET komponente,Kvalitet kisika na gejtu direktno utiče na pokretljivost kanala i pouzdanost gejta., jer u silicijum karbidnom materijalu postoje dvije vrste atoma silicija i ugljika.
Stoga je potrebna posebna metoda rasta s gejt medijem (druga stvar je da je silicijum-karbidna ploča prozirna i da je poravnanje položaja u fazi fotolitografije teško silikonirati).
Nakon što je proizvodnja pločice završena, pojedinačni čip se reže u goli čip i može se pakirati prema namjeni. Uobičajeni proces za diskretne uređaje je TO pakiranje.
650V CoolSiC™ MOSFET-ovi u TO-247 kućištu
Fotografija: Infineon
Automobilska industrija ima visoke zahtjeve za snagom i odvođenjem toplote, te je ponekad potrebno direktno izgraditi mostne sklopove (polumostni ili puni most, ili direktno pakirani s diodama).
Stoga se često direktno pakuje u module ili sisteme. Prema broju čipova pakovanih u jednom modulu, uobičajeni oblik je 1 u 1 (BorgWarner), 6 u 1 (Infineon) itd., a neke kompanije koriste paralelnu shemu s jednom cijevi.
Borgwarner Viper
Podržava dvostrano vodeno hlađenje i SiC-MOSFET
Infineon CoolSiC™ MOSFET moduli
Za razliku od silicija,Silicijum-karbidni moduli rade na višoj temperaturi, oko 200°C.
Tradicionalna temperatura topljenja mekog lema je niska i ne može zadovoljiti temperaturne zahtjeve. Stoga se silicijum-karbidni moduli često koriste za niskotemperaturno sinterovanje srebra.
Nakon što je modul završen, može se primijeniti na sistem dijelova.
Kontroler motora Tesla Model3
Goli čip dolazi iz ST-a, samostalno razvijenog paketa i električnog pogonskog sistema
☆02 Status primjene SiC-a?
U automobilskoj industriji, uređaji za napajanje se uglavnom koriste uDCDC, OBC, inverteri motora, inverteri električnih klima uređaja, bežično punjenje i ostali dijelovikoji zahtijevaju brzu AC/DC konverziju (DCDC uglavnom djeluje kao brzi prekidač).
Fotografija: BorgWarner
U poređenju sa materijalima na bazi silicija, SIC materijali imaju većukritična jačina polja probijanja lavine(3×106V/cm),bolja toplotna provodljivost(49 W/mK) iširi band gap(3,26 eV).
Što je širi zabranjeni pojas, to je manja struja curenja i veća efikasnost. Što je bolja toplotna provodljivost, to je veća gustina struje. Što je jače kritično polje lavinskog proboja, to se može poboljšati naponski otpor uređaja.
Stoga, u oblasti visokog napona na vozilima, MOSFET-ovi i SBD-ovi pripremljeni od silicijum-karbidnih materijala koji zamjenjuju postojeću kombinaciju IGBT-a i FRD-a na bazi silicija mogu efikasno poboljšati snagu i efikasnost.posebno u scenarijima visokofrekventnih primjena kako bi se smanjili gubici pri preključivanju.
Trenutno je najvjerovatnije da će postići velike primjene u motornim inverterima, a slijede OBC i DCDC.
Platforma napona 800V
Na platformi napona od 800V, prednost visoke frekvencije čini preduzeća sklonijim odabiru SiC-MOSFET rješenja. Stoga, većina trenutnih 800V elektronskih upravljačkih sistema planira SiC-MOSFET.
Planiranje na nivou platforme uključujemoderni E-GMP, GM Otenergy – polje za pick-up vozila, Porsche PPE i Tesla EPA.Osim modela Porsche PPE platforme koji eksplicitno ne nose SiC-MOSFET (prvi model je IGBT na bazi silicija), ostale platforme vozila usvajaju SiC-MOSFET sheme.
Univerzalna ultra energetska platforma
Planiranje modela od 800V je više,Marka Great Wall Salon Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI verzija, idealan automobil S01 i W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11 je saopštio da će nositi 800V platformu, pored BYD-a, Lantu-a, GAC-a, Mercedes-Benza, Zero Runa, FAW Red Flaga, a Volkswagen je također rekao da će 800V tehnologiju istraživati.
Iz situacije sa narudžbama od 800V koje su dobili dobavljači prvog nivoa,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics i Huichuansve najavljene narudžbe električnih pogona od 800 V.
Platforma napona 400V
Na platformi napona od 400V, SiC-MOSFET se uglavnom fokusira na visoku snagu i gustinu snage, kao i na visoku efikasnost.
Kao što je slučaj s Tesla Modelom 3\Y motorom koji se sada masovno proizvodi, vršna snaga BYD Hanhou motora je oko 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW), NIO će također koristiti SiC-MOSFET proizvode počevši od ET7 i ET5 koji će biti navedeni kasnije. Vršna snaga je 240 kW (ET5 210 kW).
Pored toga, iz perspektive visoke efikasnosti, neka preduzeća također istražuju izvodljivost pomoćnih SiC-MOSFET proizvoda sa poplavnim djelovanjem.
Vrijeme objave: 08.07.2023.
