U usporedbi s energetskim poluvodičima na bazi silicija, SiC (silicijev karbid) energetski poluvodiči imaju značajne prednosti u frekvenciji prebacivanja, gubicima, rasipanju topline, minijaturizaciji itd.
S velikom proizvodnjom invertera od silicij-karbida od strane Tesle, sve više tvrtki također je počelo isporučivati proizvode od silicij-karbida.
SiC je tako "nevjerojatan", 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 – podloga – epitaksija – dizajn – proizvodnja – pakiranje.
Dugi kristal
Tijekom duge kristalne veze, za razliku od pripreme Tira metode koju koristi monokristalni silicij, silicijev karbid uglavnom usvaja fizičku metodu transporta plina (PVT, također poznat kao poboljšani Lly ili metoda sublimacije kristala sjemena), metodu kemijskog taloženja plina na visokoj temperaturi (HTCVD ) dodaci.
☆ Temeljni korak
1. Karbonska čvrsta sirovina;
2. Nakon zagrijavanja, krutina karbida postaje plin;
3. Plin se kreće prema površini klice kristala;
4. Plin raste na površini kristala klice u kristal.
Izvor slike: “Tehnička točka za rastavljanje PVT rasta silicij karbida”
Drugačija izrada uzrokovala je dva velika nedostatka u usporedbi sa silikonskom bazom:
Prvo, proizvodnja je teška i prinos je nizak.Temperatura plinske faze na bazi ugljika raste iznad 2300 °C, a tlak je 350MPa. Izvodi se cijela tamna kutija, a lako se umiješa u nečistoće. Iskorištenje je niže od silicijske baze. Što je veći promjer, manji je prinos.
Drugi je spori 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 promjerima uglavnom 6 inča i 8 inča novim proizvodnim kapacitetom za 12 inča.Stoga se silicijev karbid često naziva kristalni ingot, a silicij postaje kristalni štapić.
Ingoti silicij kristala karbida
Podloga
Nakon što je dugi kristal dovršen, ulazi u proces proizvodnje supstrata.
Nakon ciljanog rezanja, brušenja (grubo brušenje, fino brušenje), poliranja (mehaničko poliranje), ultrapreciznog poliranja (kemijsko mehaničko poliranje) dobiva se podloga od silicij karbida.
Podloga uglavnom igrauloga fizičke potpore, toplinska vodljivost i vodljivost.Poteškoća obrade je u tome što je materijal od silicijevog karbida visok, hrskav i stabilan u kemijskim svojstvima. Stoga tradicionalne metode obrade na bazi silicija nisu prikladne za supstrat od silicij karbida.
Kvaliteta učinka rezanja izravno utječe na izvedbu i učinkovitost korištenja (cijenu) proizvoda od silicij-karbida, tako da se zahtijeva da budu male, jednake debljine i niskog rezanja.
trenutno,4-inčni i 6-inčni uglavnom koriste opremu za rezanje s više linija,rezanje kristala silicija na tanke kriške debljine ne veće od 1 mm.
Shematski dijagram rezanja s više linija
U budućnosti, s povećanjem veličine karboniziranih silikonskih pločica, povećavat će se zahtjevi za iskorištenjem materijala, a postupno će se primjenjivati i tehnologije poput laserskog rezanja i hladnog odvajanja.
Godine 2018. Infineon je preuzeo Siltectra GmbH, koja je razvila inovativni proces poznat kao hladno krekiranje.
U usporedbi s tradicionalnim gubitkom procesa rezanja više žica od 1/4,postupkom hladnog pucanja izgubljena je samo 1/8 materijala silicij karbida.
Proširenje
Budući da materijal silicijevog karbida ne može napraviti električne uređaje izravno na podlozi, potrebni su različiti uređaji na produžnom sloju.
Stoga, nakon što je proizvodnja supstrata završena, specifični monokristalni tanki film se uzgaja na supstratu kroz proces ekstenzije.
Trenutačno se uglavnom koristi postupak kemijskog taloženja plinom (CVD).
Dizajn
Nakon izrade supstrata ulazi se u fazu projektiranja proizvoda.
Za MOSFET, fokus procesa dizajna je dizajn utora,s jedne strane kako bi se izbjeglo kršenje patenta(Infineon, Rohm, ST itd. imaju patentni izgled), a s druge strane nazadovoljiti mogućnost izrade i troškove proizvodnje.
Izrada vafla
Nakon što je dizajn proizvoda završen, on ulazi u fazu proizvodnje vafla,a proces je otprilike sličan onom kod silicija, koji uglavnom ima sljedećih 5 koraka.
☆Korak 1: Ubrizgajte masku
Izrađuje se sloj filma silicijevog oksida (SiO2), fotorezist se oblaže, uzorak fotorezista se formira kroz korake homogenizacije, izlaganja, razvijanja itd., a lik se prenosi na oksidni film kroz proces jetkanja.
☆2. korak: Ionska implantacija
Maskiranu pločicu od silicijevog karbida stavlja se u ionski implantator, gdje se ioni aluminija ubrizgavaju kako bi se formirala zona za dopiranje P-tipa i žare kako bi se aktivirali implantirani ioni aluminija.
Oksidni film se uklanja, ioni dušika se ubrizgavaju u specifično područje područja dopiranja tipa P kako bi se formiralo vodljivo područje odvoda i izvora N-tipa, a implantirani ioni dušika se žare kako bi se aktivirali.
☆Korak 3: Napravite rešetku
Napravite rešetku. U području između izvora i odvoda, oksidni sloj vrata se priprema postupkom oksidacije na visokoj temperaturi, a sloj elektrode vrata se taloži kako bi se formirala kontrolna struktura vrata.
☆Korak 4: Izrada slojeva za pasiviranje
Izrađuje se pasivni sloj. Nanesite pasivni sloj s dobrim izolacijskim karakteristikama kako biste spriječili proboj između elektroda.
☆Korak 5: Napravite drain-source elektrode
Napravite odvod i izvor. Pasivacijski sloj je perforiran, a metal je raspršen kako bi se formirao odvod i izvor.
Izvor fotografije: Xinxi Capital
Iako postoji mala razlika između procesne razine i razine silicija, zbog karakteristika materijala od silicij karbida,ionsku implantaciju i žarenje potrebno je provesti u okruženju visoke temperature(do 1600 °C), visoka temperatura će utjecati na strukturu rešetke samog materijala, a poteškoća će također utjecati na prinos.
Osim toga, za MOSFET komponente,kvaliteta vrata kisika izravno utječe na mobilnost kanala i pouzdanost vrata, jer postoje dvije vrste atoma silicija i ugljika u materijalu silicij karbida.
Stoga je potrebna posebna metoda rasta medija vrata (još jedna stvar je da je lim od silicij-karbida proziran, a poravnanje položaja u fazi fotolitografije je teško za silicij).
Nakon što je proizvodnja wafera završena, pojedinačni čip se reže u goli čip i može se pakirati prema namjeni. Uobičajeni proces za diskretne uređaje je TO paket.
650V CoolSiC™ MOSFET-ovi u TO-247 paketu
Fotografija: Infineon
Automobilsko područje ima visoke zahtjeve za snagom i rasipanjem topline, a ponekad je potrebno izravno graditi premosne sklopove (polumosni ili puni most, ili izravno pakirani s diodama).
Stoga se često pakira izravno u module ili sustave. Prema broju čipova upakiranih u jedan modul, 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,Silicij karbidni moduli rade na višoj temperaturi, oko 200°C.
Tradicionalna temperatura mekog lema, temperatura tališta je niska, ne može zadovoljiti temperaturne zahtjeve. Stoga moduli od silicij karbida često koriste postupak zavarivanja sinteriranjem srebra na niskim temperaturama.
Nakon što je modul dovršen, može se primijeniti na sustav dijelova.
Kontroler motora Tesla Model3
Goli čip dolazi iz ST-a, samorazvijenog paketa i električnog pogonskog sustava
☆02 Status primjene SiC-a?
U automobilskoj industriji, energetski uređaji se uglavnom koriste uDCDC, OBC, motorni pretvarači, električni pretvarači klima uređaja, bežično punjenje i ostali dijelovikoji zahtijevaju AC/DC brzu pretvorbu (DCDC uglavnom djeluje kao brzi prekidač).
Fotografija: BorgWarner
U usporedbi s materijalima na bazi silicija, SIC materijali imaju većukritična snaga polja proboja kritične lavine(3×106V/cm),bolja toplinska vodljivost(49W/mK) iširi pojasni razmak(3,26 eV).
Što je širi razmak pojasa, manja je struja curenja i veća je učinkovitost. Što je bolja toplinska vodljivost, to je veća gustoća struje. Što je jače polje kritičnog lavinskog proboja, to se naponska otpornost uređaja može poboljšati.
Stoga, u području visokog napona na ploči, MOSFET-ovi i SBD pripremljeni od silicij karbidnih materijala za zamjenu postojeće kombinacije IGBT i FRD na bazi silicija mogu učinkovito poboljšati snagu i učinkovitost,posebno u visokofrekventnim scenarijima primjene kako bi se smanjili gubici pri prebacivanju.
Trenutačno je najvjerojatnije postići velike primjene u motornim pretvaračima, a zatim OBC i DCDC.
Platforma napona 800V
U naponskoj platformi od 800 V, prednost visoke frekvencije čini poduzeća sklonijima odabiru SiC-MOSFET rješenja. Stoga, većina trenutnog 800V elektroničkog upravljanja planira SiC-MOSFET.
Planiranje na razini platforme uključujemoderni E-GMP, GM Otenergy – pickup field, Porsche PPE i Tesla EPA.Osim modela Porsche PPE platforme koji ne nose izričito SiC-MOSFET (prvi model je IGBT na bazi silicijevog dioksida), ostale platforme vozila usvajaju SiC-MOSFET sheme.
Univerzalna Ultra energetska platforma
Planiranje modela od 800 V je više,brend Great Wall Salon Jiagirong, verzija Beiqi pole Fox S HI, idealan automobil S01 i W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan 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 800V tehnologiju u istraživanju.
Iz situacije narudžbi od 800 V koje su dobili Tier1 dobavljači,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics i Huichuansve najavljene narudžbe elektromotora 800V.
Platforma napona 400V
U naponskoj platformi od 400 V, SiC-MOSFET uglavnom uzima u obzir veliku snagu i gustoću snage te visoku učinkovitost.
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. Vršna snaga je 240Kw (ET5 210Kw).
Uz to, iz perspektive visoke učinkovitosti, neka poduzeća također istražuju izvedivost pomoćnih SiC-MOSFET proizvoda za navodnjavanje.
Vrijeme objave: 8. srpnja 2023
