U poređenju sa energetskim poluprovodnicima na bazi silicijuma, SiC (silicijum karbid) energetski poluprovodnici imaju značajne prednosti u frekvenciji prebacivanja, gubicima, rasipavanju toplote, minijaturizaciji itd.
Sa velikom proizvodnjom Teslinih invertera od silicijum karbida, sve više kompanija je takođe počelo da proizvodi proizvode od silicijum karbida.
SiC je tako "nevjerovatan", kako je, zaboga, napravljen? Koje su sada aplikacije? da vidimo!
01 ☆ Rođenje SiC-a
Kao i drugi energetski poluvodiči, SiC-MOSFET industrijski lanac uključujepoveznica dugi kristal – supstrat – epitaksija – dizajn – proizvodnja – pakovanje.
Dugi kristal
Tokom duge kristalne veze, za razliku od pripreme Tira metode koju koristi monokristalni silicijum, silicijum karbid uglavnom usvaja metodu fizičkog transporta gasa (PVT, takođe poznat kao poboljšana metoda sublimacije Lly ili sjemenog kristala), metodu hemijskog taloženja visokotemperaturnog gasa (HTCVD ) suplementi.
☆ Osnovni korak
1. Ugljična čvrsta sirovina;
2. Nakon zagrijavanja, čvrsti karbid postaje plin;
3. Gas se kreće na površinu kristala sjemena;
4. Plin raste na površini kristala sjemena u kristal.
Izvor slike: “Tehnička tačka za rastavljanje PVT rasta silicijum karbida”
Različite izrade uzrokovale su dva velika nedostatka u poređenju sa silikonskom bazom:
Prvo, proizvodnja je teška i prinos je nizak.Temperatura gasne faze na bazi ugljenika raste iznad 2300°C, a pritisak je 350MPa. Cijela tamna kutija je izvedena i lako se miješa u nečistoće. Prinos je manji od silikonske baze. Što je veći prečnik, manji je prinos.
Drugi 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. Maksimum može narasti samo 3-5 cm, a prečnik kristalnog ingota je uglavnom 4 inča i 6 inča.
72H baziran na silikonu može narasti do visine od 2-3 m, sa prečnikom uglavnom 6 inča i 8 inča novim proizvodnim kapacitetom za 12 inča.Stoga se silicijum karbid često naziva kristalnim ingotom, a silicijum postaje kristalni štapić.
Ingoti od karbidnog silikona
Supstrat
Nakon što je dugi kristal završen, ulazi u proces proizvodnje supstrata.
Nakon ciljanog rezanja, brušenja (grubo brušenje, fino brušenje), poliranja (mehaničko poliranje), ultra preciznog poliranja (hemijsko mehaničko poliranje), dobija se podloga od silicijum karbida.
Podloga se uglavnom igrauloga fizičke potpore, toplotne provodljivosti i provodljivosti.Teškoća obrade je u tome što je materijal silicijum karbida visok, hrskav i stabilan u hemijskim svojstvima. Stoga tradicionalne metode obrade na bazi silicijuma nisu prikladne za podloge od silicijum karbida.
Kvalitet efekta rezanja direktno utiče na performanse i efikasnost upotrebe (trošak) proizvoda od silicijum karbida, tako da je potrebno da budu male, ujednačene debljine i niskog rezanja.
trenutno,4-inčni i 6-inčni uglavnom koriste opremu za rezanje sa više linija,rezanje kristala silicija na tanke kriške debljine ne veće od 1 mm.
Šematski dijagram višelinijskog rezanja
U budućnosti, s povećanjem veličine karboniziranih silikonskih pločica, povećavat će se i zahtjevi za korištenjem materijala, a postepeno će se primjenjivati i tehnologije poput laserskog rezanja i hladnog odvajanja.
Infineon je 2018. godine kupio Siltectra GmbH, koja je razvila inovativni proces poznat kao hladno pucanje.
U poređenju sa tradicionalnim procesom rezanja sa više žica gubitak od 1/4,proces hladnog pucanja izgubio je samo 1/8 materijala od silicijum karbida.
Produžetak
Budući da materijal od silicijum karbida ne može napraviti uređaje za napajanje direktno na podlozi, na produžetku su potrebni različiti uređaji.
Stoga, nakon što je proizvodnja supstrata završena, specifičan monokristalni tanki film se uzgaja na supstratu kroz proces ekstenzije.
Trenutno se uglavnom koristi proces hemijskog gasnog taloženja (CVD).
Dizajn
Nakon što je podloga izrađena, ulazi u fazu dizajna proizvoda.
Za MOSFET, fokus procesa projektovanja je dizajn utora,s jedne strane kako bi se izbjeglo kršenje patenta(Infineon, Rohm, ST, itd., imaju patentni izgled), a s druge strane dazadovoljiti troškove proizvodnje i proizvodnje.
Izrada vafla
Nakon što je dizajn proizvoda završen, ulazi u fazu proizvodnje vafla,i proces je otprilike sličan onom kod silicija, koji uglavnom ima sljedećih 5 koraka.
☆Korak 1: Ubrizgajte masku
Pravi se sloj filma od silicijum oksida (SiO2), fotorezist se oblaže, fotorezist se formira kroz korake homogenizacije, ekspozicije, razvijanja itd., a figura se procesom jetkanja prenosi na oksidni film.
☆Korak 2: Ionska implantacija
Maskirana pločica od silicijum karbida stavlja se u ionski implantator, gdje se aluminijski joni ubrizgavaju da formiraju doping zonu P-tipa i žare kako bi se aktivirali implantirani ioni aluminija.
Oksidni film se uklanja, ioni dušika se ubrizgavaju u specifičnu regiju dopinga P-tipa kako bi se formirao N-tip provodne regije drena i izvora, a implantirani ioni dušika se žare da bi se aktivirali.
☆Korak 3: Napravite rešetku
Napravite rešetku. U području između izvora i drena, sloj oksida gejta se priprema postupkom oksidacije na visokim temperaturama, a sloj gejt elektrode se nanosi kako bi formirao kontrolnu strukturu kapije.
☆Korak 4: Pravljenje slojeva pasivacije
Napravljen je pasivacijski sloj. Nanesite pasivacijski sloj s dobrim izolacijskim karakteristikama kako biste spriječili međuelektrodni slom.
☆Korak 5: Napravite drejn-izvor elektrode
Napravite odvod i izvor. Pasivacijski sloj je perforiran i metal se raspršuje kako bi se formirao dren i izvor.
Izvor fotografije: Xinxi Capital
Iako postoji mala razlika između nivoa procesa i na bazi silicijuma, zbog karakteristika materijala silicijum karbida,ionsku implantaciju i žarenje potrebno je izvesti u okruženju visoke temperature(do 1600°C), visoka temperatura će uticati na rešetkastu strukturu samog materijala, a poteškoće će uticati i na prinos.
Osim toga, za MOSFET komponente,kvalitet kiseonika kapije direktno utiče na pokretljivost kanala i pouzdanost kapije, jer postoje dvije vrste atoma silicija i ugljika u materijalu silicijum karbida.
Zbog toga je potrebna posebna metoda rasta medija (druga stvar je da je lim od silicijum karbida providan, a poravnanje položaja u fazi fotolitografije je teško za silicijum).
Nakon što je proizvodnja vafla završena, pojedinačni čip se reže u goli čip i može se pakovati prema namjeni. Uobičajeni proces za diskretne uređaje je TO paket.
650V CoolSiC™ MOSFET u TO-247 paketu
Fotografija: Infineon
Automobilska oblast ima velike zahtjeve za rasipanjem snage i topline, a ponekad je potrebno direktno izgraditi mosne sklopove (polomost ili puni most, ili direktno upakovan sa diodama).
Stoga se često pakuje direktno u module ili sisteme. Prema broju čipova upakovanih u jedan modul, uobičajeni oblik je 1 u 1 (BorgWarner), 6 u 1 (Infineon) itd., a neke kompanije koriste paralelnu šemu sa jednom cijevi.
Borgwarner Viper
Podržava dvostrano vodeno hlađenje i SiC-MOSFET
Infineon CoolSiC™ MOSFET moduli
Za razliku od silicijuma,Moduli od silicijum karbida rade na višoj temperaturi, oko 200°C.
Tradicionalna temperatura mekog lema temperature topljenja je niska, ne može zadovoljiti temperaturne zahtjeve. Zbog toga moduli od silicijum karbida često koriste proces sinterovanja srebra na niskoj temperaturi.
Nakon što je modul završen, može se primijeniti na sistem dijelova.
Kontroler motora Tesla Model3
Goli čip dolazi od ST, samorazvijenog paketa i električnog pogonskog sistema
☆02 Status aplikacije SiC?
U automobilskoj industriji uglavnom se koriste uređaji za napajanjeDCDC, OBC, motorni invertori, električni inverteri klima uređaja, bežično punjenje i drugi dijelovikoje zahtijevaju brzu konverziju AC/DC (DCDC uglavnom djeluje kao brzi prekidač).
Foto: BorgWarner
U poređenju sa materijalima na bazi silicija, SIC materijali imaju višekritična jačina polja proboja lavine(3×106V/cm),bolju toplotnu provodljivost(49W/mK) iširi pojas(3,26eV).
Što je širi pojas, to je manja struja curenja i veća je efikasnost. Što je bolja toplotna provodljivost, veća je i gustina struje. Što je jače kritično polje proboja lavine, naponski otpor uređaja se može poboljšati.
Stoga, na polju ugrađenog visokog napona, MOSFET-ovi i SBD pripremljeni od silicijum karbidnih materijala za zamjenu postojeće IGBT i FRD kombinacije na bazi silicijuma mogu učinkovito poboljšati snagu i efikasnost,posebno u scenarijima primjene visoke frekvencije za smanjenje gubitaka pri prebacivanju.
Trenutno je najvjerojatnije da će postići velike primjene u motornim inverterima, a slijede OBC i DCDC.
800V naponska platforma
U naponskoj platformi od 800 V, prednost visoke frekvencije čini preduzeća sklonijim odabiru SiC-MOSFET rješenja. Stoga je većina trenutnog 800V elektronskog upravljanja planiranjem SiC-MOSFET-a.
Planiranje na nivou platforme uključujemoderni E-GMP, GM Otenergy – pickup polje, Porsche PPE i Tesla EPA.Osim modela Porsche PPE platforme koji eksplicitno ne nose SiC-MOSFET (prvi model je IGBT baziran na silicijum dioksidu), druge platforme vozila usvajaju SiC-MOSFET šeme.
Univerzalna Ultra energetska platforma
Planiranje modela 800V je više,Great Wall Salon brend Jiagirong, Beiqi stub Fox S HI verzija, idealni automobil S01 i W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 je rekao da će nositi 800V platformu, pored BYD, Lantu, GAC'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen je također rekao 800V tehnologiju u istraživanju.
Iz situacije sa narudžbama od 800V koje su dobili Tier1 dobavljači,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics i Huichuansve najavljene narudžbe za 800V električni pogon.
Platforma napona 400V
U naponskoj platformi od 400V, SiC-MOSFET uglavnom uzima u obzir veliku snagu i gustinu snage i visoku efikasnost.
Kao što je Tesla Model 3\Y motor koji se sada masovno proizvodi, vršna snaga BYD Hanhou motora je oko 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO će također koristiti SiC-MOSFET proizvode počevši od ET7 i ET5 koji će biti naveden kasnije. Maksimalna snaga je 240Kw (ET5 210Kw).
Osim toga, iz perspektive visoke efikasnosti, neka preduzeća također istražuju izvodljivost pomoćnih SiC-MOSFET proizvoda za plavljenje.
Vrijeme objave: Jul-08-2023
