V porovnaní s výkonovými polovodičmi na báze kremíka majú výkonové polovodiče SiC (karbid kremíka) významné výhody v oblasti spínacej frekvencie, strát, odvodu tepla, miniaturizácie atď.
S rozsiahlou výrobou invertorov z karbidu kremíka spoločnosťou Tesla začalo viac spoločností získavať produkty z karbidu kremíka.
SiC je taký „úžasný“, ako sa do pekla vyrobil? Aké sú teraz jeho aplikácie? Pozrime sa!
01 ☆ Zrod SiC
Podobne ako iné výkonové polovodiče, aj priemyselný reťazec SiC-MOSFET zahŕňaprepojenie dlhý kryštál – substrát – epitaxia – návrh – výroba – balenie.
Dlhý kryštál
Počas dlhého kryštálového prepojenia, na rozdiel od prípravy metódou Tira používanou pri monokryštáloch kremíka, karbid kremíka používa hlavne fyzikálnu metódu transportu plynu (PVT, tiež známu ako vylepšená metóda Lly alebo sublimácia semenných kryštálov), doplnenú metódou vysokoteplotného chemického nanášania plynu (HTCUD).
☆ Základný krok
1. Uhlíková tuhá surovina;
2. Po zahriatí sa karbidová pevná látka zmení na plyn;
3. Plyn sa pohybuje na povrchu zárodočného kryštálu;
4. Plyn rastie na povrchu zárodočného kryštálu do kryštálu.
Zdroj obrázka: „Technický bod demontáže karbidu kremíka získaného PVT rastom“
Odlišné remeselné spracovanie spôsobilo v porovnaní so silikónovou základňou dve hlavné nevýhody:
Po prvé, výroba je náročná a výnos je nízky.Teplota plynnej fázy na báze uhlíka stúpa nad 2300 °C a tlak je 350 MPa. Celá tmavá škatuľa sa vykonáva a ľahko sa mieša s nečistotami. Výťažok je nižší ako kremíková báza. Čím väčší je priemer, tým nižší je výťažok.
Druhým je pomalý rast.Riadenie metódy PVT je veľmi pomalé, rýchlosť je približne 0,3-0,5 mm/h a môže narásť o 2 cm za 7 dní. Maximálny nárast môže byť len 3-5 cm a priemer kryštálového ingotu je väčšinou 4 palce a 6 palcov.
Kremíkový 72H môže dorásť do výšky 2 až 3 m, s priemerom väčšinou 6 palcov a novou produkčnou kapacitou 8 palcov.Preto sa karbid kremíka často nazýva kryštálový ingot a kremík sa stáva kryštálovou tyčinkou.
Ingoty z karbidových kryštálov kremíka
Substrát
Po dokončení dlhého kryštálu vstupuje do výrobného procesu substrátu.
Po cielenom rezaní, brúsení (hrubé brúsenie, jemné brúsenie), leštení (mechanické leštenie) a ultrapresnom leštení (chemicko-mechanické leštenie) sa získa substrát z karbidu kremíka.
Substrát hrá hlavneúloha fyzickej podpory, tepelnej vodivosti a vodivosti.Problém so spracovaním spočíva v tom, že karbid kremíka je vysokopevnostný, krehký a chemicky stabilný. Preto tradičné metódy spracovania na báze kremíka nie sú vhodné pre substrát z karbidu kremíka.
Kvalita rezného efektu priamo ovplyvňuje výkon a efektívnosť využitia (náklady) výrobkov z karbidu kremíka, takže sa vyžaduje, aby bol malý, s rovnomernou hrúbkou a s nízkym rezným výkonom.
V súčasnosti,4-palcové a 6-palcové rezacie stroje používajú hlavne viacriadkové rezacie zariadenia,rezanie kremíkových kryštálov na tenké plátky s hrúbkou nie väčšou ako 1 mm.
Schéma viacriadkového rezania
V budúcnosti sa so zvyšovaním veľkosti karbonizovaných kremíkových doštičiek zvýšia aj požiadavky na využitie materiálu a postupne sa budú uplatňovať aj technológie ako laserové rezanie a separácia za studena.
V roku 2018 spoločnosť Infineon získala spoločnosť Siltectra GmbH, ktorá vyvinula inovatívny proces známy ako krakovanie za studena.
V porovnaní s tradičným viacdrôtovým rezaním je strata 1/4,Proces krakovania za studena stratil iba 1/8 materiálu karbidu kremíka.
Rozšírenie
Keďže materiál z karbidu kremíka nemôže vytvárať výkonové zariadenia priamo na substráte, na predlžovacej vrstve sú potrebné rôzne zariadenia.
Preto sa po dokončení výroby substrátu na substráte vypestuje špecifický tenký film monokryštálov prostredníctvom procesu predlžovania.
V súčasnosti sa používa hlavne proces chemického nanášania plynov (CVD).
Dizajn
Po výrobe substrátu sa vstupuje do fázy návrhu produktu.
V prípade MOSFETu sa proces návrhu zameriava na návrh drážky,na jednej strane, aby sa predišlo porušeniu patentu(Infineon, Rohm, ST atď. majú patentové rozloženie) a na druhej stranesplniť požiadavky na vyrobiteľnosť a výrobné náklady.
Výroba doštičiek
Po dokončení návrhu produktu sa vstupuje do fázy výroby doštičiek,a proces je zhruba podobný procesu kremíka, ktorý má hlavne nasledujúcich 5 krokov.
☆Krok 1: Vstreknite masku
Vytvorí sa vrstva filmu oxidu kremičitého (SiO2), nanesie sa fotorezist, vzor fotorezistu sa vytvorí krokmi homogenizácie, expozície, vyvolania atď. a obrázok sa prenesie na oxidový film leptaním.
☆Krok 2: Implantácia iónov
Maskovaná doštička z karbidu kremíka sa umiestni do iónového implantátora, kde sa vstrekujú hliníkové ióny za vzniku dopingovej zóny typu P a žíhajú sa, aby sa implantované hliníkové ióny aktivovali.
Oxidový film sa odstráni, dusíkové ióny sa vstreknú do špecifickej oblasti dopovacej oblasti typu P, čím sa vytvorí vodivá oblasť typu N odtoku a zdroja, a implantované dusíkové ióny sa žíhajú, aby sa aktivovali.
☆Krok 3: Vytvorenie mriežky
Vytvorte mriežku. V oblasti medzi zdrojom a odtokom sa vrstva hradlového oxidu pripraví vysokoteplotným oxidačným procesom a vrstva hradlovej elektródy sa nanesie za vzniku riadiacej štruktúry hradla.
☆Krok 4: Vytvorenie pasivačných vrstiev
Vytvorí sa pasivačná vrstva. Naneste pasivačnú vrstvu s dobrými izolačnými vlastnosťami, aby ste zabránili prerušeniu medzi elektródami.
☆Krok 5: Vytvorenie elektród odtok-zdroj
Vytvorte odtok a zdroj. Pasivačná vrstva sa perforuje a kov sa naprašuje, čím sa vytvorí odtok a zdroj.
Zdroj fotografie: Xinxi Capital
Hoci je medzi procesnou úrovňou a kremíkovou technológiou malý rozdiel, vzhľadom na vlastnosti karbidových materiálov kremíka...Iónová implantácia a žíhanie sa musia vykonávať v prostredí s vysokou teplotou(až do 1600 °C), vysoká teplota ovplyvní mriežkovú štruktúru samotného materiálu a ťažkosti ovplyvnia aj výťažnosť.
Okrem toho, pre MOSFET komponenty,Kvalita kyslíka v hradle priamo ovplyvňuje mobilitu kanála a spoľahlivosť hradla, pretože v materiáli karbidu kremíka sú dva druhy atómov kremíka a uhlíka.
Preto je potrebná špeciálna metóda rastu hradlového média (ďalším bodom je, že doska z karbidu kremíka je priehľadná a zarovnanie polohy vo fáze fotolitografie je ťažké zabezpečiť kremíkom).
Po dokončení výroby doštičky sa jednotlivý čip nareže na holý čip a môže sa zabaliť podľa účelu. Bežným procesom pre diskrétne zariadenia je balenie TO.
650V CoolSiC™ MOSFETy v puzdre TO-247
Foto: Infineon
Automobilový priemysel má vysoké požiadavky na výkon a odvod tepla a niekedy je potrebné priamo zostaviť mostíkové obvody (polovičný mostík alebo plný mostík, alebo priamo zabalené s diódami).
Preto sa často balí priamo do modulov alebo systémov. Podľa počtu čipov zabalených v jednom module je bežnou formou 1 v 1 (BorgWarner), 6 v 1 (Infineon) atď. a niektoré spoločnosti používajú paralelnú schému s jednou trubicou.
Borgwarner Viper
Podporuje obojstranné vodné chladenie a SiC-MOSFET
Moduly MOSFET Infineon CoolSiC™
Na rozdiel od kremíka,Moduly z karbidu kremíka pracujú pri vyššej teplote, okolo 200 °C.
Tradičná teplota topenia mäkkej spájky je nízka a nedokáže splniť teplotné požiadavky. Preto sa moduly z karbidu kremíka často používajú pri nízkych teplotách so spekaním striebra.
Po dokončení modulu je možné ho použiť v systéme dielov.
Ovládač motora Tesla Model3
Holý čip pochádza z vlastnoručne vyvinutého balíka a elektrického pohonného systému spoločnosti ST
☆02 Stav aplikácie SiC?
V automobilovom priemysle sa výkonové zariadenia používajú hlavne vDCDC, OBC, meniče motorov, meniče elektrických klimatizácií, bezdrôtové nabíjanie a ďalšie dielyktoré vyžadujú rýchlu konverziu AC/DC (DCDC funguje hlavne ako rýchly spínač).
Foto: BorgWarner
V porovnaní s materiálmi na báze kremíka majú materiály SIC vyššiukritická sila lavínového prierazného poľa(3 × 106 V/cm),lepšia tepelná vodivosť(49 W/mK) aširšia medzera pásma(3,26 eV).
Čím väčšia je medzera pásma, tým menší je zvodový prúd a tým vyššia je účinnosť. Čím lepšia je tepelná vodivosť, tým vyššia je hustota prúdu. Čím silnejšie je kritické pole lavínového prierazu, tým je možné zlepšiť napäťový odpor zariadenia.
Preto v oblasti palubného vysokého napätia môžu MOSFETy a SBD vyrobené z karbidu kremíka, ktoré nahradia existujúcu kombináciu IGBT a FRD na báze kremíka, účinne zlepšiť výkon a účinnosť.najmä v scenároch vysokofrekvenčných aplikácií na zníženie strát pri prepínaní.
V súčasnosti je najpravdepodobnejšie dosiahnuť rozsiahle aplikácie v motorových meničoch, nasledované OBC a DCDC.
Platforma s napätím 800 V
V napäťovej platforme 800 V má výhoda vysokej frekvencie väčší sklon k výberu riešenia SiC-MOSFET. Preto väčšina súčasných elektronických riadiacich systémov pre 800 V plánuje používať SiC-MOSFET.
Plánovanie na úrovni platformy zahŕňamoderný E-GMP, GM Otenergy – oblasť pickupov, Porsche OOP a Tesla EPA.S výnimkou modelov platformy Porsche PPE, ktoré explicitne neobsahujú SiC-MOSFET (prvý model je IGBT na báze oxidu kremičitého), ostatné platformy vozidiel používajú schémy SiC-MOSFET.
Univerzálna ultra energetická platforma
Plánovanie modelu 800V je viac,Značka Jiagirong od Great Wall Salon, verzia Beiqi pól Fox S HI, ideálne auto S01 a W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Spoločnosť Changan Avita E11 uviedla, že bude využívať platformu 800V, okrem BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag a Volkswagen tiež uviedol, že technológiu 800V vo výskume.
Zo situácie s objednávkami na 800 V získanými dodávateľmi Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics a Huichuanvšetky oznámené objednávky elektrických pohonov na 800 V.
Platforma s napätím 400 V
V napäťovej platforme 400V sa SiC-MOSFET zameriava najmä na vysoký výkon a hustotu výkonu a vysokú účinnosť.
Napríklad motor Tesla Model 3\Y, ktorý sa teraz sériovo vyrába, má špičkový výkon motora BYD Hanhou približne 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW). NIO bude tiež používať produkty SiC-MOSFET počnúc ET7 a ET5, ktoré budú uvedené neskôr. Špičkový výkon je 240 kW (ET5 210 kW).
Okrem toho, z hľadiska vysokej účinnosti, niektoré podniky skúmajú aj uskutočniteľnosť pomocných zaplavovacích SiC-MOSFET produktov.
Čas uverejnenia: 8. júla 2023
