U usporedbi s poluvodičima na bazi silicija, poluvodiči od silicija (SiC) imaju značajne prednosti u frekvenciji preklapanja, gubicima, odvođenju topline, miniaturizaciji itd.
S velikom proizvodnjom silicij-karbidnih invertera od strane Tesle, sve više tvrtki je također počelo nabavljati proizvode od silicij-karbida.
SiC je tako "nevjerojatan", kako je uopće napravljen? Koje su sada primjene? Da vidimo!
01 ☆ Rođenje SiC-a
Kao i drugi energetski poluvodiči, industrijski lanac SiC-MOSFET-a uključujeveza dugi kristal – podloga – epitaksija – dizajn – proizvodnja – pakiranje.
Dugi kristal
Tijekom dugog kristalnog spoja, za razliku od Tira metode pripreme koju koriste monokristali silicija, silicijev karbid uglavnom koristi metodu fizičkog transporta plina (PVT, također poznatu kao poboljšana Lly ili metoda sublimacije kristala sjemena), te dodatke metodi kemijskog taloženja plina na visokim temperaturama (HTTVD).
☆ Osnovni korak
1. Ugljična čvrsta sirovina;
2. Nakon zagrijavanja, karbidna krutina postaje plin;
3. Plin se kreće prema površini kristalne sjemenke;
4. Plin raste na površini kristalne sjemenke u kristal.
Izvor slike: „Tehnička točka za rastavljanje PVT rasta silicijevog karbida“
Različita izrada uzrokovala je dva velika nedostatka u usporedbi sa silikonskom bazom:
Prvo, proizvodnja je teška, a prinos nizak.Temperatura plinovite faze na bazi ugljika raste iznad 2300 °C, a tlak 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.
Drugi je spor rast.Upravljanje PVT metodom je vrlo sporo, brzina je oko 0,3-0,5 mm/h, a može narasti 2 cm u 7 dana. Maksimalno može narasti samo 3-5 cm, a promjer 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 silicijev karbid često naziva kristalnim ingotom, a silicij postaje kristalni štapić.
Ingoti od karbidnih silicijskih 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 (kemijsko-mehaničko poliranje), dobiva se silicij-karbidna podloga.
Podloga uglavnom igrauloga fizičke potpore, toplinske vodljivosti i vodljivosti.Teškoća obrade je u tome što je silicijev karbidni materijal visoke čvrstoće, hrskav i kemijski stabilan. Stoga tradicionalne metode obrade na bazi silicija nisu prikladne za silicijev karbidnu podlogu.
Kvaliteta rezanja izravno utječe na performanse i učinkovitost korištenja (trošak) proizvoda od silicij-karbida, stoga se zahtijeva da bude mala, ujednačene debljine i da rezanje bude nisko.
Trenutno,4-inčni i 6-inčni uglavnom koriste višelinijsku opremu za rezanje,rezanje silicijevih kristala na tanke kriške debljine ne veće od 1 mm.
Shematski dijagram višelinijske reznice
U budućnosti, s povećanjem veličine karboniziranih silicijskih pločica, povećat će se i zahtjevi za iskorištenjem materijala, a postupno će se primjenjivati i tehnologije poput laserskog rezanja i hladnog odvajanja.
Godine 2018. Infineon je preuzeo tvrtku Siltectra GmbH, koja je razvila inovativni proces poznat kao hladno krekiranje.
U usporedbi s tradicionalnim postupkom rezanja više žica, gubitak od 1/4,Procesom hladnog pucanja izgubljena je samo 1/8 silicij-karbidnog materijala.
Proširenje
Budući da silicijev karbidni materijal ne može izravno izrađivati energetske uređaje na podlozi, na produžnom sloju potrebni su različiti uređaji.
Stoga se, nakon što je završena proizvodnja supstrata, na supstratu postupkom ekstenzije uzgaja specifični tanki film monokristala.
Trenutno se uglavnom koristi postupak kemijskog taloženja plinova (CVD).
Dizajn
Nakon što je podloga izrađena, ulazi se u fazu dizajna proizvoda.
Kod MOSFET-a, fokus procesa dizajniranja je dizajn utora,s jedne strane kako bi se izbjeglo kršenje patenta(Infineon, Rohm, ST itd. imaju patentni raspored), a s druge stranezadovoljiti troškove proizvodljivosti i 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
Izrađuje se sloj filma silicijevog oksida (SiO2), nanosi se fotorezist, uzorak fotorezista se formira kroz korake homogenizacije, ekspozicije, razvijanja itd., a slika se prenosi na oksidni film postupkom jetkanja.
☆Korak 2: Ionska implantacija
Maskirana pločica silicijevog karbida stavlja se u ionski implantator, gdje se ubrizgavaju aluminijevi ioni kako bi se formirala P-tip doping zona, te se žari kako bi se aktivirali implantirani aluminijevi ioni.
Oksidni film se uklanja, dušikovi ioni se ubrizgavaju u specifično područje P-tipa dopirajućeg područja kako bi se formiralo N-tip vodljivo 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 vrata priprema se procesom oksidacije na visokoj temperaturi, a sloj elektrode vrata se taloži kako bi se formirala struktura za upravljanje vratima.
☆Korak 4: Izrada pasivizacijskih slojeva
Izrađen je pasivacijski sloj. Nanesite pasivacijski sloj s dobrim izolacijskim svojstvima kako biste spriječili međuelektrodni proboj.
☆Korak 5: Izrada elektroda 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 procesne razine i materijala na bazi silicija, zbog karakteristika silicij-karbidnih materijala,Ionska implantacija i žarenje moraju se provoditi u okruženju visoke temperature(do 1600 °C), visoka temperatura će utjecati na rešetkastu strukturu samog materijala, a teškoća će također utjecati na prinos.
Osim toga, za MOSFET komponente,Kvaliteta kisika na vratima izravno utječe na pokretljivost kanala i pouzdanost vrata., jer u silicijevom karbidnom materijalu postoje dvije vrste atoma silicija i ugljika.
Stoga je potrebna posebna metoda rasta s medijem za vrata (druga stvar je da je silicijev karbidni list proziran, a poravnanje položaja u fazi fotolitografije teško je silicijskim putem).
Nakon što je proizvodnja pločice završena, pojedinačni čip se reže u goli čip i može se pakirati prema namjeni. Uobičajeni postupak 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 topline, a ponekad je potrebno izravno izgraditi mostne sklopove (polumostni ili puni most, ili izravno pakirani s diodama).
Stoga se često pakira izravno u module ili sustave. Prema broju čipova pakiranih u jednom modulu, uobičajeni oblik je 1 u 1 (BorgWarner), 6 u 1 (Infineon) itd., a neke tvrtke 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 tališta mekog lema je niska i ne može zadovoljiti temperaturne zahtjeve. Stoga se silicijev karbidni moduli često koriste za niskotemperaturno sinteriranje srebra.
Nakon što je modul dovršen, može se primijeniti na sustav dijelova.
Kontroler motora Tesla Model3
Goli čip dolazi iz ST-a, samostalno razvijenog paketa i električnog pogonskog sustava
☆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 pretvorbu (DCDC uglavnom djeluje kao brzi prekidač).
Fotografija: BorgWarner
U usporedbi s materijalima na bazi silicija, SIC materijali imaju većukritična jakost polja lavinskog proboja(3×106V/cm),bolja toplinska vodljivost(49 W/mK) iširi band gap(3,26 eV).
Što je širi zabranjeni pojas, to je manja struja curenja i veća učinkovitost. Što je bolja toplinska vodljivost, to je veća gustoća struje. Što je jače kritično polje lavinskog proboja, to se može poboljšati naponski otpor uređaja.
Stoga, u području visokonaponskog ugrađenog sustava, MOSFET-i i SBD-i pripremljeni od silicij-karbidnih materijala koji zamjenjuju postojeću kombinaciju IGBT-a i FRD-a na bazi silicija mogu učinkovito poboljšati snagu i učinkovitost.posebno u scenarijima visokofrekventnih primjena kako bi se smanjili gubici pri preklapanju.
Trenutno je najvjerojatnije da će postići velike primjene u motornim pretvaračima, a slijede OBC i DCDC.
Platforma napona 800 V
Na platformi napona od 800 V, prednost visoke frekvencije čini poduzeća sklonijima odabiru SiC-MOSFET rješenja. Stoga većina trenutnih 800 V elektroničkih upravljačkih planova koristi SiC-MOSFET.
Planiranje na razini platforme uključujemoderni E-GMP, GM Otenergy – područje za pickupove, 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 800 V 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 rekao da će nositi 800V platformu, uz BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen je također rekao da 800V tehnologiju istražuje.
Iz situacije s narudžbama od 800 V koje su dobili dobavljači Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics i Huichuansve najavljene narudžbe električnih pogona od 800 V.
Platforma napona 400 V
U platformi napona od 400 V, SiC-MOSFET se uglavnom fokusira na visoku snagu i gustoću snage te visoku učinkovitost.
Kao što je slučaj s Teslinim 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).
Osim toga, s gledišta visoke učinkovitosti, neka poduzeća također istražuju izvedivost pomoćnih SiC-MOSFET proizvoda s poplavnim djelovanjem.
Vrijeme objave: 08.07.2023.
