În comparație cu semiconductorii de putere pe bază de siliciu, semiconductorii de putere SiC (carbură de siliciu) au avantaje semnificative în frecvența de comutare, pierderi, disipare a căldurii, miniaturizare etc.
Odată cu producția pe scară largă de invertoare cu carbură de siliciu de către Tesla, mai multe companii au început, de asemenea, să debarce produse cu carbură de siliciu.
SiC este atât de „uimitor”, cum naiba a fost făcut? Care sunt aplicațiile acum? Să vedem!
01 ☆ Nașterea unui SiC
Ca și alți semiconductori de putere, lanțul industrial SiC-MOSFET includecristalul lung – substrat – epitaxie – proiectare – fabricare – ambalare.
Cristal lung
În timpul legăturii cristaline lungi, spre deosebire de prepararea metodei Tira utilizată de siliciul monocristal, carbura de siliciu adoptă în principal metoda de transport fizic al gazului (PVT, cunoscută și sub denumirea de Lly îmbunătățită sau metoda de sublimare a cristalelor semințe), metoda de depunere a gazului chimic la temperatură înaltă (HTCVD). ) suplimente.
☆ Pasul de bază
1. Materie primă solidă carbonică;
2. După încălzire, solidul de carbură devine gaz;
3. Se deplasează gazul la suprafața cristalului sămânță;
4. Gazul crește pe suprafața cristalului sămânță într-un cristal.
Sursă imagine: „Punctul tehnic pentru dezasamblarea carbură de siliciu cu creștere PVT”
Măiestria diferită 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 și presiunea este de 350 MPa. Întreaga cutie întunecată este realizată și este ușor de amestecat în impurități. Randamentul este mai mic decât baza de siliciu. Cu cât diametrul este mai mare, cu atât randamentul este mai mic.
Al doilea este creșterea lentă.Guvernarea metodei PVT este foarte lentă, viteza este de aproximativ 0,3-0,5 mm/h și poate crește 2 cm în 7 zile. Maximul poate crește doar 3-5 cm, iar diametrul lingoului de cristal este în mare parte de 4 inci și 6 inci.
72H pe bază de siliciu poate crește până la o înălțime de 2-3 m, cu diametre în mare parte de 6 inchi și o nouă capacitate de producție de 8 inci pentru 12 inci.Prin urmare, carbura de siliciu este adesea numită lingot de cristal, iar siliciul devine un baston de cristal.
Lingouri de cristal de siliciu din carbură
Substratul
După ce cristalul lung este finalizat, acesta intră în procesul de producție al substratului.
După tăiere țintită, șlefuire (șlefuire grosieră, șlefuire fină), lustruire (lustruire mecanică), lustruire de ultra-precizie (lustruire mecanică chimică), se obține substratul din carbură de siliciu.
Substratul joacă în principalrolul de suport fizic, conductivitate termică și conductivitate.Dificultatea procesării este că materialul din carbură de siliciu este ridicat, crocant și stabil în proprietăți chimice. Prin urmare, metodele tradiționale de prelucrare pe bază de siliciu nu sunt potrivite pentru substratul cu carbură de siliciu.
Calitatea efectului de tăiere afectează în mod direct performanța și eficiența de utilizare (costul) produselor din carbură de siliciu, așa că este necesar să fie mică, grosime uniformă și tăiere redusă.
În prezent,4-inch și 6-inch utilizează în principal echipamente de tăiere cu mai multe linii,tăierea cristalelor de siliciu în felii subțiri cu o grosime de cel mult 1 mm.
Diagrama schematică de tăiere cu mai multe linii
În viitor, odată cu creșterea dimensiunii plăcilor de siliciu carbonizat, creșterea cerințelor de utilizare a materialelor va crește, 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.
În comparație cu procesul tradițional de tăiere cu mai multe fire de pierdere de 1/4,procesul de cracare la rece a pierdut doar 1/8 din materialul din carbură de siliciu.
Extensie
Deoarece materialul din carbură de siliciu nu poate face dispozitive de putere direct pe substrat, sunt necesare diverse dispozitive pe stratul de extensie.
Prin urmare, după ce producția substratului este finalizată, o peliculă subțire de un singur cristal este crescută pe substrat prin procesul de extensie.
În prezent, procesul de depunere chimică a gazelor (CVD) este utilizat în principal.
Proiecta
După ce substratul este realizat, acesta intră în etapa de proiectare a produsului.
Pentru MOSFET, punctul central al procesului de proiectare este proiectarea canelurii,pe de o parte pentru a evita încălcarea brevetelor(Infineon, Rohm, ST, etc., au aspect de brevet), și pe de altă parte săsatisface fabricabilitatea și costurile de producție.
Fabricarea napolitanelor
După ce proiectarea produsului este finalizată, acesta intră în etapa de fabricare a napolitanelor,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 film de oxid de siliciu (SiO2), fotorezistul este acoperit, modelul fotorezist se formează prin etapele de omogenizare, expunere, dezvoltare etc., iar figura este transferată pe filmul de oxid prin procesul de gravare.
☆Pasul 2: Implantarea ionică
Placa de carbură de siliciu mascata este plasată într-un implantator de ioni, unde ionii de aluminiu sunt injectați pentru a forma o zonă de dopare de tip P și recoapți pentru a activa ionii de aluminiu implantați.
Filmul de oxid este îndepărtat, ionii de azot sunt injectați într-o regiune specifică a regiunii de dopaj de tip P pentru a forma o regiune conductoare de tip N a drenului și sursei, iar ionii de azot implantați sunt recoapți pentru a le activa.
☆Pasul 3: Faceți grila
Faceți grila. În zona dintre sursă și scurgere, stratul de oxid de poartă este pregătit printr-un proces de oxidare la temperatură înaltă, iar stratul de electrod de poartă este depus pentru a forma structura de control al porții.
☆Pasul 4: Realizarea straturilor de pasivare
Se realizează stratul de pasivare. Depuneți un strat de pasivare cu caracteristici bune de izolare pentru a preveni defectarea interelectrodului.
☆Pasul 5: Faceți electrozi pentru sursa de scurgere
Faceți scurgere și sursă. Stratul de pasivare este perforat și metalul este pulverizat pentru a forma un dren și o sursă.
Sursa foto: Xinxi Capital
Deși există o mică diferență între nivelul procesului și cel pe bază de siliciu, datorită caracteristicilor materialelor cu carbură de siliciu,implantarea ionică și recoacere trebuie efectuate într-un mediu cu temperatură ridicată(până la 1600 ° C), temperatura ridicată va afecta structura rețelei a materialului în sine, iar dificultatea va afecta și randamentul.
În plus, pentru componentele MOSFET,calitatea oxigenului de poartă afectează direct mobilitatea canalului și fiabilitatea porții, deoarece există două tipuri de siliciu și atomi de carbon în materialul cu carbură de siliciu.
Prin urmare, este necesară o metodă specială de creștere medie de poartă (un alt punct este că foaia de carbură de siliciu este transparentă, iar alinierea poziției în stadiul de fotolitografie este dificil de siliconat).
După ce fabricarea napolitanelor este finalizată, așchiul individual este tăiat într-un chip gol și poate fi ambalat conform scopului. Procesul comun pentru dispozitivele discrete este pachetul TO.
MOSFET-uri CoolSiC™ de 650 V în pachet TO-247
Foto: Infineon
Domeniul auto are cerințe ridicate de putere și disipare a căldurii și, uneori, este necesară construirea directă a circuitelor de 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 folosesc o schemă paralelă cu un singur tub.
Vipera Borgwarner
Suportă răcirea cu apă dublă și SiC-MOSFET
Module MOSFET Infineon CoolSiC™
Spre deosebire de siliciu,modulele cu carbură de siliciu funcționează la o temperatură mai mare, aproximativ 200 ° C.
Temperatura punctului de topire tradițional de lipire moale este scăzută, nu poate îndeplini cerințele de temperatură. Prin urmare, modulele cu carbură de siliciu folosesc adesea procesul de sudare cu sinterizare a argintului la temperatură joasă.
După ce modulul este finalizat, acesta poate fi aplicat sistemului de piese.
Controler de motor Tesla Model3
Cipul gol provine de la ST, pachet auto-dezvoltat și sistem de acționare electrică
☆02 Starea aplicării SiC?
În domeniul auto, dispozitivele de alimentare sunt utilizate în principal înDCDC, OBC, invertoare cu motor, invertoare electrice pentru aer condiționat, încărcare fără fir și alte piesecare necesită conversie rapidă AC/DC (DCDC acționează în principal ca un comutator rapid).
Fotografie: BorgWarner
În comparație cu materialele pe bază de siliciu, materialele SIC au mai multeintensitatea câmpului critic de defalcare a avalanșelor(3×106V/cm),conductivitate termică mai bună(49W/mK) șiband gap mai mare(3,26eV).
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, rezistența la tensiune a dispozitivului poate fi îmbunătățită.
Prin urmare, în domeniul tensiunii înalte la bord, MOSFET-urile și SBD-urile pregătite din materiale cu carbură de siliciu pentru a înlocui combinația existentă de IGBT și FRD pe bază de siliciu pot îmbunătăți eficient puterea și eficiența,mai ales în scenariile de aplicare de înaltă frecvență pentru a reduce pierderile de comutare.
În prezent, este cel mai probabil să se realizeze aplicații pe scară largă în invertoarele de motor, urmate de OBC și DCDC.
Platforma de tensiune 800V
În platforma de tensiune de 800 V, avantajul frecvenței înalte face întreprinderile mai înclinate să aleagă soluția SiC-MOSFET. Prin urmare, cea mai mare parte a actualului control electronic de 800V de planificare SiC-MOSFET.
Planificarea la nivel de platformă includeE-GMP modern, GM Otenergy – câmp pickup, Porsche PPE și Tesla EPA.Cu excepția modelelor de platforme Porsche PPE care nu poartă în mod explicit SiC-MOSFET (primul model este IGBT pe bază de silice), alte platforme de vehicule adoptă scheme SiC-MOSFET.
Platforma Universal Ultra Energy
Planificarea modelului de 800V este mai mult,marca Great Wall Salon Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI versiunea, masina ideala S01 si W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 a spus că va transporta platforma 800V, în plus față de BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen a spus, de asemenea, tehnologia 800V în cercetare.
Din situatia comenzilor de 800V obtinute de furnizorii Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics și Huichuantoate comenzile de acționare electrică 800V anunțate.
Platforma de tensiune 400V
În platforma de tensiune de 400 V, SiC-MOSFET are în vedere în principal puterea mare și densitatea de putere și eficiența ridicată.
Cum ar fi motorul Tesla Model 3\Y care a fost produs în masă acum, puterea de vârf a motorului BYD Hanhou este de aproximativ 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO va folosi și produse SiC-MOSFET începând cu ET7 și ET5 care va fi listat mai târziu. Puterea de vârf este de 240Kw (ET5 210Kw).
În plus, din perspectiva eficienței ridicate, unele întreprinderi explorează și fezabilitatea produselor SiC-MOSFET pentru inundații auxiliare.
Ora postării: Iul-08-2023
