Зошто SiC е толку „божествен“?

Во споредба со енергетските полупроводници базирани на силициум, енергетските полупроводници од SiC (силициум карбид) имаат значајни предности во фреквенцијата на префрлување, загубите, дисипацијата на топлина, минијатуризацијата итн.

Со големото производство на силициум карбидни инвертори од страна на Тесла, повеќе компании почнаа да купуваат производи од силициум карбид.

SiC е толку „невероятен“, како, за бога, е направен? Кои се примените сега? Ајде да видиме!

01 ☆ Раѓање на SiC

Како и другите енергетски полупроводници, индустрискиот синџир SiC-MOSFET вклучуваврската долг кристал – супстрат – епитаксија – дизајн – производство – пакување. 

Долг кристал

За време на долгата кристална врска, за разлика од подготовката на методот Тира што го користи монокристалниот силициум, силициум карбидот главно го користи методот на физички транспорт на гас (PVT, познат и како подобрен Lly или метод на сублимација на семенски кристал), како и методот на хемиско таложење на гас на висока температура (HTCVD).

☆ Основен чекор

1. Јаглеродна цврста суровина;

2. По загревањето, карбидната цврста материја станува гасна;

3. Гас се движи кон површината на семенскиот кристал;

4. Гасот расте на површината на семенскиот кристал во кристал.

Извор на сликата: „Техничка точка за расклопување на силициум карбид за раст на PVT“

Различната изработка предизвикала два големи недостатоци во споредба со силиконската основа:

Прво, производството е тешко, а приносот е низок.Температурата на гасната фаза базирана на јаглерод расте над 2300 °C, а притисокот е 350 MPa. Целата темна кутија е извадена и лесно се меша со нечистотиите. Приносот е помал од оној на силициумската база. Колку е поголем дијаметарот, толку е помал приносот.

Вториот е бавен раст.Управувањето со PVT методот е многу бавно, брзината е околу 0,3-0,5 mm/h, а може да порасне 2 cm за 7 дена. Максималниот може да порасне само 3-5 cm, а дијаметарот на кристалната ингота е претежно 4 инчи и 6 инчи.

72H на база на силициум може да порасне до висина од 2-3 метри, со дијаметар од претежно 6 инчи и нов производствен капацитет од 8 инчи за 12 инчи.Затоа, силициум карбидот често се нарекува кристален ингот, а силициумот станува кристално стапче.

Кристални инготи од карбиден силициум

Подлога

Откако долгиот кристал ќе биде завршен, тој влегува во процесот на производство на подлогата.

По целно сечење, брусење (грубо брусење, фино брусење), полирање (механичко полирање), ултрапрецизно полирање (хемиско механичко полирање), се добива подлогата од силициум карбид.

Подлогата главно играулогата на физичката поддршка, топлинската спроводливост и спроводливоста.Тешкотијата на обработката е во тоа што материјалот од силициум карбид е со високи, крцкави и стабилни хемиски својства. Затоа, традиционалните методи на обработка базирани на силициум не се соодветни за супстрат од силициум карбид.

Квалитетот на ефектот на сечење директно влијае на перформансите и ефикасноста на искористување (цената) на производите од силициум карбид, па затоа е потребно да биде мал, униформен дебелина и ниско сечење.

Во моментов,4-инчни и 6-инчни главно користат опрема за сечење со повеќе линии,сечење на силиконски кристали на тенки парчиња со дебелина не поголема од 1 мм.

Шематски дијаграм за сечење со повеќе линии

Во иднина, со зголемувањето на големината на карбонизираните силиконски плочки, ќе се зголемат и барањата за искористување на материјалите, а постепено ќе се применуваат и технологии како што се ласерско сечење и ладно сепарирање.

Во 2018 година, Infineon ја купи Siltectra GmbH, која разви иновативен процес познат како ладно крекинг.

Во споредба со традиционалниот процес на сечење со повеќе жици, загубата од 1/4,процесот на ладно крекирање изгуби само 1/8 од материјалот од силициум карбид.

Проширување

Бидејќи материјалот од силициум карбид не може да прави напојувачки уреди директно на подлогата, потребни се различни уреди на продолжениот слој.

Затоа, откако ќе заврши производството на подлогата, на подлогата се одгледува специфичен тенок филм од еден кристал преку процесот на продолжување.

Во моментов, главно се користи процесот на хемиско таложење на гас (CVD).

Дизајн

Откако ќе се направи подлогата, таа влегува во фазата на дизајнирање на производот.

За MOSFET, фокусот на процесот на дизајнирање е дизајнот на жлебот,од една страна, за да се избегне повреда на патент(Infineon, Rohm, ST, итн., имаат распоред на патенти), а од друга страна даги задоволуваат трошоците за производство и производството.

Изработка на вафли

Откако ќе заврши дизајнот на производот, тој влегува во фаза на производство на плочки,и процесот е приближно сличен на оној со силикон, кој главно ги има следните 5 чекори.

☆Чекор 1: Инјектирајте ја маската

Се прави слој од филм од силициум оксид (SiO2), се премачкува фоторезистот, се формира моделот на фоторезистот преку чекорите на хомогенизација, експозиција, развивање итн., а фигурата се пренесува на оксидниот филм преку процесот на јорганизирање.

☆Чекор 2: Јонска имплантација

Маскираната силициум-карбидна плочка се става во јонски имплантатор, каде што се инјектираат алуминиумски јони за да се формира P-тип зона за допирање и се жари за да се активираат имплантираните алуминиумски јони.

Оксидниот филм се отстранува, азотните јони се инјектираат во специфичен регион од P-тип на допинг регионот за да се формира N-тип на спроводлив регион на одводот и изворот, а имплантираните азотни јони се жарат за да се активираат.

☆Чекор 3: Направете ја мрежата

Направете ја мрежата. Во областа помеѓу изворот и одводот, слојот од оксид на портата се подготвува со процес на оксидација на висока температура, а слојот од електродата на портата се таложи за да се формира структурата за контрола на портата.

☆Чекор 4: Правење слоеви за пасивација

Направен е слој за пасивација. Поставете слој за пасивација со добри изолациски карактеристики за да се спречи дефект меѓуелектродите.

☆Чекор 5: Направете електроди за извор на одвод

Направете одвод и извор. Слојот за пасивација е перфориран, а металот се распрскува за да се формира одвод и извор.

Фото Извор: Синкси Капитал

Иако постои мала разлика помеѓу нивото на процесот и силициумската база, поради карактеристиките на силициум карбидните материјали,јонската имплантација и жарење треба да се извршат во средина со висока температура(до 1600 ° C), високата температура ќе влијае на структурата на решетката на самиот материјал, а тешкотијата ќе влијае и на приносот.

Покрај тоа, за MOSFET компонентите,Квалитетот на кислородот на портата директно влијае на подвижноста на каналот и сигурноста на портата, бидејќи во силициум карбидниот материјал постојат два вида атоми на силициум и јаглерод.

Затоа, потребен е посебен метод на раст на медиумот за порта (друга поента е што листот од силициум карбид е транспарентен, а усогласувањето на позицијата на фазата на фотолитографија е тешко за силикон).

Откако ќе заврши производството на плочките, поединечниот чип се сече на гол чип и може да се спакува според намената. Вообичаениот процес за дискретни уреди е TO пакување.

650V CoolSiC™ MOSFET-и во пакет TO-247

Фотографија: Инфинеон

Автомобилската област има големи барања за дисипација на моќност и топлина, а понекогаш е потребно директно да се изградат мостовни кола (половина мост или целосен мост, или директно спакувани со диоди).

Затоа, често се спакува директно во модули или системи. Според бројот на чипови спакувани во еден модул, вообичаената форма е 1 во 1 (BorgWarner), 6 во 1 (Infineon) итн., а некои компании користат паралелна шема со една цевка.

Боргварнер Випер

Поддржува двострано водено ладење и SiC-MOSFET

Модули Infineon CoolSiC™ MOSFET

За разлика од силиконот,силициум карбидните модули работат на повисока температура, околу 200 ° C.

Традиционалната температура на меко лемење е ниска, не може да ги задоволи температурните барања. Затоа, силициум карбидните модули често користат процес на синтерување на сребро при ниска температура.

Откако модулот ќе биде завршен, може да се примени на системот на делови.

Контролер на мотор Tesla Model3

Голиот чип доаѓа од ST, самостојно развиен пакет и електричен систем за погон

☆02 Статус на апликацијата на SiC?

Во автомобилската област, енергетските уреди главно се користат воDCDC, OBC, моторни инвертори, електрични инвертори за климатизација, безжично полнење и други деловикои бараат брза конверзија на AC/DC (DCDC главно делува како брз прекинувач).

Фотографија: БоргВорнер

Во споредба со материјалите базирани на силициум, SIC материјалите имаат повисокикритична јачина на полето за распаѓање на лавина(3×106V/cm),подобра топлинска спроводливост(49W/mK) ипоширок опсег(3,26 eV).

Колку е поширок енергетскиот јаз, толку е помала струјата на истекување и поголема е ефикасноста. Колку е подобра топлинската спроводливост, толку е поголема густината на струјата. Колку е посилно критичното поле на лавинска пробива, толку може да се подобри напонската отпорност на уредот.

Затоа, во областа на вградениот висок напон, MOSFET-ите и SBD-ите подготвени од силициум карбидни материјали за да ја заменат постојната комбинација на IGBT и FRD базирани на силициум можат ефикасно да ја подобрат моќноста и ефикасноста,особено во сценарија со висока фреквенција за намалување на загубите при прекинување.

Во моментов, најверојатно е да се постигнат големи апликации кај моторните инвертори, по што следат OBC и DCDC.

Платформа со напон од 800V

Кај платформата со напон од 800V, предноста на високата фреквенција ги прави претпријатијата посклони кон избор на SiC-MOSFET решение. Затоа, поголемиот дел од сегашните 800V електронски контролни планови се со SiC-MOSFET.

Планирањето на ниво на платформа вклучувамодерен E-GMP, GM Otenergy – поле за пикап возила, Porsche PPE и Tesla EPA.Освен моделите на платформата Porsche PPE кои експлицитно не носат SiC-MOSFET (првиот модел е IGBT базиран на силициум диоксид), другите платформи на возила користат SiC-MOSFET шеми.

Универзална ултра енергетска платформа

Планирањето на моделот од 800V е повеќе,брендот Џијагиронг на салонот „Грејт вол“, верзијата „Беики пол Фокс С HI“, идеалниот автомобил С01 и В01, Сјаопенг Г9, БМВ НК1, Changan Avita E11 рече дека ќе носи 800V платформа, покрај BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen исто така рече дека 800V технологијата е во истражување.

Од ситуацијата со нарачките од 800V добиени од добавувачи од Tier1,БоргВорнер, Випаи Технолоџи, ЗФ, Јунајтед Електроникс и Хуичуансите објавени нарачки за електричен погон од 800V.

Платформа со напон од 400V

На платформата со напон од 400V, SiC-MOSFET главно се зема предвид високата моќност и густина на моќност и високата ефикасност.

Како што е моторот Tesla Model 3\Y кој сега е масовно произведен, максималната моќност на моторот BYD Hanhou е околу 200 Kw (Tesla 202 Kw, 194 Kw, 220 Kw, BYD 180 Kw), NIO исто така ќе користи SiC-MOSFET производи почнувајќи од ET7 и ET5 кои ќе бидат наведени подоцна. Максималната моќност е 240 Kw (ET5 210 Kw).

Покрај тоа, од перспектива на висока ефикасност, некои претпријатија ја истражуваат и изводливоста на помошни поплавни SiC-MOSFET производи.