Comparativ cu semiconductorii de putere pe bază de siliciu, semiconductorii de putere SiC (carbură de siliciu) prezintă avantaje semnificative în ceea ce privește frecvența de comutare, pierderile, disiparea căldurii, miniaturizarea etc.
Odată cu producția la scară largă de invertoare din carbură de siliciu de către Tesla, tot mai multe companii au început să comercializeze produse din carbură de siliciu.
SiC este atât de „uimitor”, cum a fost fabricat? Care sunt aplicațiile acum? Să vedem!
01 ☆ Nașterea unui SiC
Ca și alți semiconductori de putere, lanțul industrial SiC-MOSFET includelegătura cristal lung – substrat – epitaxie – proiectare – fabricație – ambalare.
Cristal lung
În timpul legăturii cristaline lungi, spre deosebire de metoda Tira utilizată de siliciul monocristal, carbura de siliciu adoptă în principal metoda de transport fizic al gazelor (PVT, cunoscută și sub denumirea de Lly îmbunătățită sau metoda de sublimare a cristalelor de însămânțare), suplimentând metoda de depunere chimică a gazelor la temperatură înaltă (HTCVD).
☆ Pasul central
1. Materie primă solidă carbonică;
2. După încălzire, solidul de carbură devine gaz;
3. Gazul se deplasează la suprafața cristalului de însămânțare;
4. Gazul crește pe suprafața cristalului de însămânțare într-un cristal.
Sursa imaginii: „Punct tehnic pentru dezasamblarea carburii de siliciu de creștere PVT”
Meșteșugul diferit a cauzat două dezavantaje majore în comparație cu baza de silicon:
În primul rând, producția este dificilă, iar randamentul este scăzut.Temperatura fazei gazoase pe bază de carbon crește peste 2300 °C, iar presiunea este de 350 MPa. Întreaga cutie întunecată este transportată, iar impuritățile sunt ușor de amestecat. Randamentul este mai mic decât cel al bazei de siliciu. Cu cât diametrul este mai mare, cu atât randamentul este mai mic.
A doua este creșterea lentă.Metoda PVT funcționează foarte lent, viteza fiind de aproximativ 0,3-0,5 mm/h, putând crește cu 2 cm în 7 zile. Creșterea maximă poate fi de doar 3-5 cm, iar diametrul lingoului de cristal este în general de 4 inci și 6 inci.
Modelul 72H, pe bază de siliciu, poate crește până la o înălțime de 2-3 m, cu diametre de aproximativ 6 inci și o nouă capacitate de producție de 8 inci pentru 12 inci.Prin urmare, carbura de siliciu este adesea numită lingou de cristal, iar siliciul devine un băț de cristal.
Lingouri de cristal de siliciu din carbură
Substrat
După ce cristalul lung este finalizat, acesta intră în procesul de producție a substratului.
După tăiere țintită, șlefuire (șlefuire grosieră, șlefuire fină), lustruire (șlefuire mecanică), lustruire de ultra-precizie (șlefuire chimico-mecanică), se obține substratul de carbură de siliciu.
Substratul joacă în principalrolul suportului fizic, conductivității termice și conductivității.Dificultatea procesării constă în faptul că materialul din carbură de siliciu are proprietăți chimice ridicate, crocante și stabile. Prin urmare, metodele tradiționale de procesare pe bază de siliciu nu sunt potrivite pentru substratul de carbură de siliciu.
Calitatea efectului de tăiere afectează direct performanța și eficiența de utilizare (costul) produselor din carbură de siliciu, așa că este necesar ca acestea să fie mici, cu grosime uniformă și cu o putere de tăiere redusă.
În prezent,4 inci și 6 inci utilizează în principal echipamente de tăiere cu mai multe linii,tăierea cristalelor de siliciu în felii subțiri cu o grosime de maximum 1 mm.
Schema de tăiere pe mai multe linii
În viitor, odată cu creșterea dimensiunii napolitanelor de siliciu carbonizate, va crește și cerințele de utilizare a materialelor, iar tehnologii precum tăierea cu laser și separarea la rece vor fi, de asemenea, aplicate treptat.
În 2018, Infineon a achiziționat Siltectra GmbH, care a dezvoltat un proces inovator cunoscut sub numele de cracare la rece.
Comparativ cu procesul tradițional de tăiere cu mai multe fire, pierderea de 1/4,Procesul de cracare la rece a pierdut doar 1/8 din materialul de carbură de siliciu.
Extensie
Deoarece materialul din carbură de siliciu nu poate realiza dispozitive de alimentare direct pe substrat, sunt necesare diverse dispozitive pe stratul de extensie.
Prin urmare, după finalizarea producției substratului, o peliculă subțire monocristalină specifică este crescută pe substrat prin procesul de extensie.
În prezent, se utilizează în principal metoda depunerii chimice gazoase (CVD).
Proiecta
După ce substratul este realizat, se intră în etapa de proiectare a produsului.
Pentru MOSFET, accentul procesului de proiectare este pe proiectarea canelurii,pe de o parte, pentru a evita încălcarea brevetelor(Infineon, Rohm, ST etc. au un design brevetat), iar pe de altă parte,să respecte fabricabilitatea și costurile de fabricație.
Fabricarea napolitanelor
După finalizarea proiectării produsului, se intră în etapa de fabricație a plachetelor.iar procesul este aproximativ similar cu cel al siliciului, care are în principal următorii 5 pași.
☆Pasul 1: Injectați masca
Se realizează un strat de peliculă de oxid de siliciu (SiO2), se acoperă fotorezistul, se formează modelul de fotorezist prin etapele de omogenizare, expunere, developare etc., iar figura este transferată pe pelicula de oxid prin procesul de gravare.
☆Pasul 2: Implantarea ionilor
Placheta mascată de carbură de siliciu este plasată într-un implantator de ioni, unde ionii de aluminiu sunt injectați pentru a forma o zonă de dopare de tip P și recoaptă pentru a activa ionii de aluminiu implantați.
Pelicula de oxid este îndepărtată, ionii de azot sunt injectați într-o regiune specifică a regiunii de dopare de tip P pentru a forma o regiune conductivă de tip N a drenului și sursei, iar ionii de azot implantați sunt recoaciți pentru a-i activa.
☆Pasul 3: Creați grila
Realizați grila. În zona dintre sursă și dren, stratul de oxid al porții este preparat printr-un proces de oxidare la temperatură înaltă, iar stratul de electrod al porții este depus pentru a forma structura de control al porții.
☆Pasul 4: Realizarea straturilor de pasivizare
Se realizează stratul de pasivare. Se depune un strat de pasivare cu bune caracteristici de izolație pentru a preveni deteriorarea interelectrodului.
☆Pasul 5: Realizați electrozii sursă-drenă
Realizați un dren și o sursă. Stratul de pasivare este perforat, iar metalul este pulverizat catodic pentru a forma un dren și o sursă.
Sursa foto: Xinxi Capital
Deși există o mică diferență între nivelul de proces și cele pe bază de siliciu, datorită caracteristicilor materialelor din carbură de siliciu,implantarea și recoacerea ionică trebuie efectuate într-un mediu cu temperatură ridicată(până la 1600 °C), temperatura ridicată va afecta structura rețelei materialului în sine, iar dificultatea va afecta și randamentul.
În plus, pentru componentele MOSFET,Calitatea oxigenului de la poartă afectează direct mobilitatea canalului și fiabilitatea porții, deoarece în materialul de carbură de siliciu există două tipuri de atomi de siliciu și carbon.
Prin urmare, este necesară o metodă specială de creștere a mediului de porți (un alt aspect este că foaia de carbură de siliciu este transparentă, iar alinierea poziției în etapa de fotolitografie este dificilă pentru siliciu).
După finalizarea fabricării plachetelor, cipul individual este tăiat într-un cip gol și poate fi ambalat în funcție de scopul propus. Procesul obișnuit pentru dispozitivele discrete este ambalarea TO.
MOSFET-uri CoolSiC™ de 650 V în capsulă TO-247
Foto: Infineon
Domeniul auto are cerințe mari de putere și disipare a căldurii și uneori este necesar să se construiască direct circuite în punte (semi-punte sau punte completă sau ambalate direct cu diode).
Prin urmare, este adesea ambalat direct în module sau sisteme. În funcție de numărul de cipuri ambalate într-un singur modul, forma comună este 1 în 1 (BorgWarner), 6 în 1 (Infineon) etc., iar unele companii utilizează o schemă paralelă cu un singur tub.
Vipera Borgwarner
Suportă răcire cu apă pe ambele părți și SiC-MOSFET
Module MOSFET Infineon CoolSiC™
Spre deosebire de siliciu,Modulele din carbură de siliciu funcționează la o temperatură mai ridicată, de aproximativ 200 °C.
Temperatura de topire a lipirii moi tradiționale este scăzută, nu poate îndeplini cerințele de temperatură. Prin urmare, modulele din carbură de siliciu utilizează adesea un proces de sudare cu sinterizare a argintului la temperatură joasă.
După finalizarea modulului, acesta poate fi aplicat sistemului de piese.
Controler motor Tesla Model 3
Cipul gol provine de la ST, pachet dezvoltat intern și sistem de acționare electrică
☆02 Starea aplicației SiC?
În domeniul auto, dispozitivele de alimentare sunt utilizate în principal înDCDC, OBC, invertoare de motor, invertoare electrice pentru aer condiționat, încărcare wireless și alte componentecare necesită conversie rapidă AC/DC (DCDC acționează în principal ca un comutator rapid).
Foto: BorgWarner
Comparativ cu materialele pe bază de siliciu, materialele SIC au o rezistență mai mareintensitatea câmpului de avalanșă critică(3×10⁶V/cm),conductivitate termică mai bună(49W/mK) șibandă interzisă mai largă(3,26 eV).
Cu cât banda interzisă este mai mare, cu atât curentul de scurgere este mai mic și eficiența este mai mare. Cu cât conductivitatea termică este mai bună, cu atât densitatea de curent este mai mare. Cu cât câmpul critic de avalanșă este mai puternic, cu atât rezistența la tensiune a dispozitivului poate fi îmbunătățită.
Prin urmare, în domeniul înaltă tensiune la bord, tranzistoarele MOSFET și SBD preparate din materiale de carbură de siliciu pentru a înlocui combinația existentă de IGBT și FRD pe bază de siliciu pot îmbunătăți eficient puterea și eficiența.în special în scenarii de aplicații de înaltă frecvență pentru a reduce pierderile de comutație.
În prezent, este cel mai probabil să realizeze aplicații la scară largă în invertoarele de motor, urmate de OBC și DCDC.
Platformă de tensiune de 800V
În platforma de tensiune de 800V, avantajul frecvenței înalte face ca întreprinderile să fie mai înclinate să aleagă soluția SiC-MOSFET. Prin urmare, majoritatea planurilor actuale de control electronic de 800V sunt SiC-MOSFET.
Planificarea la nivel de platformă includeE-GMP modern, GM Otenergy – domeniu de pickup-uri, Porsche PPE și Tesla EPA.Cu excepția modelelor cu platformă Porsche PPE care nu sunt echipate în mod explicit cu SiC-MOSFET (primul model este un IGBT pe bază de silice), alte platforme de vehicule adoptă scheme SiC-MOSFET.
Platforma energetică universală Ultra
Planificarea modelului de 800V este mai mult,Jiagirong, marca Great Wall Salon, versiunea Beiqi pole Fox S HI, mașina ideală S01 și W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11 a declarat că va avea platforma de 800V, pe lângă BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, iar Volkswagen a declarat, de asemenea, că tehnologia de 800V este în cercetare.
Din situația comenzilor de 800V obținute de furnizorii de nivel 1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics și Huichuantoate comenzile anunțate pentru propulsie electrică de 800V.
Platformă de tensiune de 400V
În platforma de tensiune de 400V, SiC-MOSFET are în vedere în principal puterea și densitatea de putere ridicate, precum și eficiența ridicată.
La fel ca motorul Tesla Model 3\Y, care este produs în serie acum, puterea maximă a motorului BYD Hanhou este de aproximativ 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW), iar NIO va folosi și produse SiC-MOSFET începând cu ET7 și ET5, care vor fi listate mai târziu. Puterea maximă este de 240 kW (ET5 210 kW).
În plus, din perspectiva eficienței ridicate, unele întreprinderi explorează și fezabilitatea produselor SiC-MOSFET cu inundații auxiliare.
Data publicării: 08 iulie 2023
