Во споредба со моќните полупроводници базирани на силикон, моќните полупроводници SiC (силициум карбид) имаат значителни предности во фреквенцијата на префрлување, загубата, дисипацијата на топлина, минијатуризацијата итн.
Со големото производство на инвертери од силициум карбид од страна на Тесла, повеќе компании исто така почнаа да продаваат производи од силициум карбид.
SiC е толку „неверојатен“, како е направен?Кои се апликациите сега?Ајде да видиме!
01 ☆ Раѓање на SiC
Како и другите енергетски полупроводници, синџирот на индустријата SiC-MOSFET вклучуваврската долга кристал – подлога – епитаксија – дизајн – изработка – пакување.
Долг кристал
За време на долгата кристална врска, за разлика од подготовката на методот Тира што се користи со монокристален силициум, силициум карбидот главно го усвојува методот на физички транспорт на гас (PVT, исто така познат како подобрен Lly или метод на сублимација на семениот кристал), метод на таложење на хемиски гас на висока температура (HTCVD ) додатоци.
☆ Основен чекор
1. Јаглеродна цврста суровина;
2. По загревањето, цврстиот карбид станува гас;
3. Поместување на гасот до површината на семениот кристал;
4. Гасот расте на површината на семениот кристал во кристал.
Извор на слика: „Техничка точка за расклопување на PVT силициум карбид за раст“
Различната изработка предизвика две 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 изведена и лесно се меша во нечистотии.Приносот е помал од силиконската основа.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 и може да порасне 2 cm за 7 дена.Максимумот може да порасне само 3-5 см, а дијаметарот на кристалниот ингот е претежно 4 инчи и 6 инчи.
72H базиран на силикон може да порасне до височина од 2-3 метри, со дијаметри главно 6 инчи и 8-инчен нов производствен капацитет за 12 инчи.Затоа, силициум карбид често се нарекува кристален ингот, а силиконот станува кристален стап.
Карбидни силиконски кристални инготи
Подлога
По завршувањето на долгиот кристал, тој влегува во производниот процес на подлогата.
По целното сечење, брусење (грубо мелење, фино брусење), полирање (механичко полирање), ултра прецизно полирање (хемиско механичко полирање), се добива супстрат од силициум карбид.
Супстратот главно играулогата на физичка поддршка, топлинска спроводливост и спроводливост.Тешкотијата на обработката е во тоа што материјалот од силициум карбид е висок, крцкав и стабилен во хемиските својства.Затоа, традиционалните методи на обработка базирани на силикон не се погодни за супстрат од силициум карбид.
Квалитетот на ефектот на сечење директно влијае на перформансите и ефикасноста на искористувањето (цената) на производите од силициум карбид, па затоа се бара да биде мала, униформа дебелина и ниско сечење.
Во моментов,4-инчен и 6-инчен главно користи повеќелиниска опрема за сечење,сечење силиконски кристали на тенки парчиња со дебелина не поголема од 1mm.
Шематски дијаграм за сечење со повеќе линии
Во иднина, со зголемувањето на големината на карбонизираните силиконски наполитанки, ќе се зголеми и зголемувањето на барањата за искористување на материјалите, а технологиите како што се ласерско сечење и ладно раздвојување, исто така, постепено ќе се применуваат.
Во 2018 година, Infineon ја купи Siltectra GmbH, која разви иновативен процес познат како ладно пукање.
Во споредба со традиционалниот губиток на процесот на сечење со повеќе жици од 1/4,процесот на ладно пукање изгуби само 1/8 од материјалот од силициум карбид.
Продолжување
Бидејќи материјалот од силициум карбид не може да направи уреди за напојување директно на подлогата, потребни се различни уреди на продолжениот слој.
Затоа, откако ќе заврши производството на подлогата, на подлогата се одгледува специфичен еднокристален тенок филм преку процесот на продолжување.
Во моментов, главно се користи процесот на метод на таложење на хемиски 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 патент), а од друга страна даги задоволуваат трошоците за производство и производство.
Изработка на нафора
Откако ќе заврши дизајнот на производот, тој влегува во фазата на производство на нафора,а процесот е приближно сличен на оној на силиконот, кој главно ги има следните 5 чекори.
☆Чекор 1: Инјектирајте ја маската
Се прави слој од филм од силициум оксид (SiO2), се обложува фоторезистот, се формира шаблонот на фоторезист низ чекорите на хомогенизација, експозиција, развој итн., а фигурата се пренесува на оксидниот филм преку процесот на офорт.
☆Чекор 2: Имплантација на јони
Маскираната нафора од силициум карбид се става во јонски имплант, каде што алуминиумските јони се инјектираат за да формираат допинг зона од типот P и се варат за да се активираат вградените алуминиумски јони.
Оксидната фолија се отстранува, азотните јони се инјектираат во специфичен регион на допинг-регионот P-тип за да се формира проводен регион од N-тип на одводот и изворот, а вградените азотни јони се анектираат за да се активираат.
☆Чекор 3: Направете ја решетката
Направете ја решетката.Во областа помеѓу изворот и одводот, оксидниот слој на портата се подготвува со процес на оксидација со висока температура, а слојот на електродата на портата се депонира за да се формира структурата за контрола на портата.
☆Чекор 4: Изработка на слоеви за пасивација
Се прави пасивност слој.Депонирајте слој за пасивација со добри карактеристики на изолација за да се спречи распаѓање на меѓуелектродата.
☆Чекор 5: Направете електроди со извор на одвод
Направете одвод и извор.Слојот за пасивација е перфориран и металот се распрскува за да се формира одвод и извор.
Фото Извор: Синкси Капитал
Иако има мала разлика помеѓу нивото на процесот и врз основа на силициум, поради карактеристиките на материјалите од силициум карбид,јонската имплантација и жарењето треба да се изведат 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.
Дополнително, за компонентите на MOSFET,квалитетот на кислородот на портата директно влијае на мобилноста на каналот и сигурноста на портата, бидејќи во материјалот од силициум карбид има два вида силициум и јаглеродни атоми.
Затоа, потребен е посебен метод за раст на медиумот на портата (друга точка е тоа што листот од силициум карбид е транспарентен, а усогласувањето на положбата во фазата на фотолитографија е тешко да се силициум).
Откако ќе заврши производството на нафора, индивидуалниот чип се сече на гол чип и може да се пакува според намената.Вообичаениот процес за дискретни уреди е пакетот TO.
650V CoolSiC™ MOSFET-ови во пакување TO-247
Фото: Infineon
Автомобилското поле има високи барања за моќност и дисипација на топлина, а понекогаш е неопходно директно да се изградат мостови кола (половина мост или целосен мост, или директно спакувани со диоди).
Затоа, често се пакува 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.
Borgwarner Viper
Поддржува двострано водено ладење и SiC-MOSFET
Модули Infineon CoolSiC™ MOSFET
За разлика од силиконот,Модулите со силициум карбид работат на повисока температура, околу 200 ° C.
Традиционалните меки лемење температура точка на топење температура е ниска, не може да ги исполни барањата за температура.Затоа, модулите со силициум карбид често користат процес на заварување со синтерување на сребро со ниска температура.
По завршувањето на модулот, може да се примени на системот за делови.
Контролер на моторот Tesla Model3
Голиот чип доаѓа од ST, саморазвиен пакет и електричен погонски систем
☆02 Статус на апликација на SiC?
Во автомобилската област, уредите за напојување главно се користат воDCDC, OBC, моторни инвертери, електрични инвертери за климатизација, безжично полнење и други деловикои бараат брза конверзија AC/DC (DCDC главно делува како брз прекинувач).
Фото: BorgWarner
Во споредба со материјалите базирани на силикон, SIC материјалите имаат повисокикритична јачина на полето за распаѓање на лавина(3×106V/cm),подобра топлинска спроводливост(49W/mK) ипоширок бенд јаз(3,26eV).
Колку е поширок јазот на опсегот, толку е помала струјата на истекување и толку е поголема ефикасноста.Колку е подобра топлинската спроводливост, толку е поголема густината на струјата.Колку е посилно критичното поле за дефект на лавина, напонскиот отпор на уредот може да се подобри.
Затоа, на полето на вградениот висок напон, MOSFET и SBD подготвени од материјали од силициум карбид за да ја заменат постоечката комбинација IGBT и FRD базирана на силикон може ефективно да ја подобрат моќноста и ефикасноста,особено во сценарија со примена на висока фреквенција за да се намалат загубите при прекинување.
Во моментов, најверојатно е да се постигнат големи апликации во моторните инвертери, проследено со OBC и DCDC.
800V напонска платформа
Во 800V напонската платформа, предноста на високата фреквенција ги прави претпријатијата посклони да изберат решение SiC-MOSFET.Затоа, повеќето од сегашните 800V електронска контрола планирање SiC-MOSFET.
Планирањето на ниво на платформа вклучувамодерен E-GMP, GM Otenergy – поле за пикап, Porsche PPE и Tesla EPA.Освен моделите на Porsche PPE платформата кои експлицитно не носат SiC-MOSFET (првиот модел е IGBT базиран на силика), другите платформи на возила ги прифаќаат шемите SiC-MOSFET.
Универзална Ultra енергетска платформа
Планирањето на моделот 800V е повеќе,брендот Jiagirong на Great Wall Salon, Beiqi pole Fox S HI верзија, идеален автомобил S01 и W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, 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 800V технологија во истражувањето.
Од ситуацијата на нарачките од 800V добиени од добавувачите на Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics и Huichuanсите објавени нарачки за електричен погон од 800 V.
400V напонска платформа
Во напонската платформа од 400V, SiC-MOSFET е главно во разгледување на висока моќност и густина на моќност и висока ефикасност.
Како што е моторот Tesla Model 3\Y што е масовно произведен сега, максималната моќност на моторот BYD Hanhou е околу 200 Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO исто така ќе користи производи SiC-MOSFET почнувајќи од ET7 и ET5 кои ќе бидат наведени подоцна.Максималната моќност е 240Kw (ET5 210Kw).
Дополнително, од перспектива на висока ефикасност, некои претпријатија исто така ја истражуваат можноста за помошни производи за поплавување SiC-MOSFET.
Време на објавување: јули-08-2023 година