V porovnaní s výkonovými polovodičmi na báze kremíka majú výkonové polovodiče SiC (karbid kremíka) významné výhody v spínacej frekvencii, strate, rozptyle tepla, miniaturizácii atď.
S rozsiahlou výrobou invertorov z karbidu kremíka spoločnosťou Tesla začalo viac spoločností vyrábať produkty z karbidu kremíka.
SiC je taký „úžasný“, ako sa to preboha vyrobilo?Aké sú teraz aplikácie?Pozrime sa!
01 ☆ Zrodenie SiC
Rovnako ako ostatné výkonové polovodiče, aj priemyselný reťazec SiC-MOSFET zahŕňadlhý kryštál – substrát – epitaxia – dizajn – výroba – obal.
Dlhý krištáľ
Počas dlhého kryštálového spojenia, na rozdiel od prípravy metódy Tira používanej monokryštálovým kremíkom, karbid kremíka využíva hlavne metódu fyzickej prepravy plynu (PVT, tiež známu ako vylepšená metóda sublimácie Lly alebo zárodočných kryštálov), metódu chemickej depozície plynov pri vysokej teplote ( HTCVD ) doplnky.
☆ Základný krok
1. Uhličitá pevná surovina;
2. Po zahriatí sa pevný karbid zmení na plyn;
3. Pohyb plynu na povrch zárodočného kryštálu;
4. Plyn rastie na povrchu zárodočného kryštálu do kryštálu.
Zdroj obrázka: „Technické miesto na demontáž karbidu kremíka na rast PVT“
Rôzne remeselné spracovanie spôsobilo dve veľké nevýhody v porovnaní so silikónovým základom:
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 krabica je vynesená a je ľahké ju zamiešať do nečistôt.Výťažok je nižší ako pri kremíkovej báze.Čím väčší je priemer, tým nižšia je výťažnosť.
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.Maximum môže narásť len o 3-5 cm a priemer kryštálového ingotu je väčšinou 4 palce a 6 palcov.
72H na báze kremíka môže dorásť do výšky 2-3 m, s priemermi väčšinou 6 palcov a 8-palcovou novou výrobnou kapacitou pre 12 palcov.Preto sa karbid kremíka často nazýva kryštálový ingot a kremík sa stáva kryštálovou tyčinkou.
Karbidové kremíkové kryštálové ingoty
Substrát
Po dokončení dlhého kryštálu vstupuje do procesu výroby substrátu.
Po cielenom rezaní, brúsení (hrubé brúsenie, jemné brúsenie), leštení (mechanické leštenie), ultra-presnom leštení (chemické mechanické leštenie) sa získa substrát z karbidu kremíka.
Hrá hlavne substrátúloha fyzickej podpory, tepelnej vodivosti a vodivosti.Náročnosť spracovania spočíva v tom, že materiál karbidu kremíka je vysoký, chrumkavý a stabilný z hľadiska chemických vlastností.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) produktov z karbidu kremíka, preto sa vyžaduje, aby boli malé, rovnomerná hrúbka a nízke rezanie.
v súčasnosti4-palcové a 6-palcové používa hlavne viacriadkové rezacie zariadenie,rezanie kryštálov kremíka na tenké plátky s hrúbkou nie väčšou ako 1 mm.
Schéma viacriadkového rezania
V budúcnosti s nárastom veľkosti karbonizovaných kremíkových doštičiek sa budú zvyšovať požiadavky na materiálové využitie a postupne sa budú uplatňovať aj technológie ako rezanie laserom 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 viacvodičovým rezacím procesom strata 1/4,proces krakovania za studena stratil iba 1/8 materiálu karbidu kremíka.
Rozšírenie
Pretože materiál karbidu kremíka nemôže vyrábať energetické zariadenia priamo na substráte, na predlžovacej vrstve sú potrebné rôzne zariadenia.
Preto po dokončení výroby substrátu narastá na substráte špecifický tenký kryštálový film prostredníctvom procesu predlžovania.
V súčasnosti sa používa najmä proces chemickej depozície plynov (CVD).
Dizajn
Po vyrobení substrátu vstupuje do fázy návrhu produktu.
Pre MOSFET je zameraním procesu navrhovania dizajn drážky,na jednej strane zabrániť porušovaniu patentov(Infineon, Rohm, ST atď. majú patentové usporiadanie) a na druhej strane dospĺňať vyrobiteľnosť a výrobné náklady.
Výroba oblátok
Po dokončení návrhu produktu vstúpi do fázy výroby oblátok,a proces je zhruba podobný ako v prípade kremíka, ktorý má hlavne nasledujúcich 5 krokov.
☆Krok 1: Vstreknite masku
Vytvorí sa vrstva filmu oxidu kremičitého (SiO2), fotorezist sa potiahne, vzor fotorezistu sa vytvorí pomocou krokov homogenizácie, expozície, vyvolávania atď., a obrazec sa prenesie na oxidový film pomocou procesu leptania.
☆Krok 2: Iónová implantácia
Maskovaný plátok karbidu kremíka sa umiestni do iónového implantátora, kde sa vstrekujú hliníkové ióny, aby vytvorili dopingovú zónu typu P, a žíhajú, aby sa aktivovali implantované hliníkové ióny.
Oxidový film sa odstráni, dusíkové ióny sa vstreknú do špecifickej oblasti dopingovej oblasti typu P, aby sa vytvorila vodivá oblasť typu N odtoku a zdroja, a implantované ióny dusíka sa žíhajú, aby sa aktivovali.
☆Krok 3: Vytvorte mriežku
Vytvorte mriežku.V oblasti medzi zdrojom a odtokom je vrstva oxidu hradla pripravená procesom oxidácie pri vysokej teplote a vrstva elektródy hradla je nanesená, aby vytvorila štruktúru riadenia hradla.
☆Krok 4: Vytvorenie pasivačných vrstiev
Je vyrobená pasivačná vrstva.Naneste pasivačnú vrstvu s dobrými izolačnými vlastnosťami, aby ste zabránili rozpadu medzi elektródami.
☆Krok 5: Vytvorte elektródy zdroja odtoku
Vytvorte odtok a zdroj.Pasivačná vrstva je perforovaná a kov je naprášený, čím sa vytvorí drenáž a zdroj.
Zdroj fotografie: Xinxi Capital
Hoci existuje malý rozdiel medzi úrovňou procesu a na báze kremíka, kvôli vlastnostiam materiálov z karbidu kremíka,implantáciu iónov a žíhanie je potrebné vykonávať v prostredí s vysokou teplotou(do 1600 °C), vysoká teplota ovplyvní mriežkovú štruktúru samotného materiálu a obtiažnosť ovplyvní aj výťažnosť.
Okrem toho pre komponenty MOSFET,kvalita vstupného kyslíka priamo ovplyvňuje mobilitu kanála a spoľahlivosť brány, pretože v materiáli karbidu kremíka sú dva druhy atómov kremíka a uhlíka.
Preto je potrebná špeciálna metóda rastového média s hradlovým médiom (ďalším bodom je, že doska karbidu kremíka je priehľadná a zarovnanie polohy v štádiu fotolitografie je náročné na kremíkovanie).
Po dokončení výroby doštičky sa jednotlivý čip nareže na holý čip a môže sa zabaliť podľa účelu.Bežným procesom pre diskrétne zariadenia je balík TO.
MOSFET 650 V CoolSiC™ v balení TO-247
Foto: Infineon
Automobilový priemysel má vysoké požiadavky na výkon a odvod tepla a niekedy je potrebné priamo stavať 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 bežná forma 1 v 1 (BorgWarner), 6 v 1 (Infineon) atď. a niektoré spoločnosti používajú paralelnú schému s jednou rúrkou.
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, asi 200 °C.
Tradičná teplota mäkkej spájky teplota topenia je nízka, nemôže spĺňať teplotné požiadavky.Preto moduly z karbidu kremíka často používajú proces zvárania spekaním striebra pri nízkej teplote.
Po dokončení modulu je možné ho aplikovať na systém dielov.
Ovládač motora Tesla Model3
Holý čip pochádza od ST, samostatne vyvinutého balíka a elektrického pohonného systému
☆02 Aplikačný status SiC?
V automobilovej oblasti sa silové zariadenia používajú najmä vDCDC, OBC, meniče motora, meniče elektrickej klimatizácie, bezdrôtové nabíjanie a iné dielyktoré vyžadujú rýchlu konverziu AC/DC (DCDC funguje hlavne ako rýchly prepínač).
Foto: BorgWarner
V porovnaní s materiálmi na báze kremíka majú materiály SIC vyššiekritický lavínový rozpad sila poľa(3×106V/cm),lepšia tepelná vodivosť(49 W/mK) aširší pásmový rozdiel(3,26 eV).
Čím širšia je šírka pásma, tým menší je zvodový prúd a tým vyššia je účinnosť.Čím lepšia je tepelná vodivosť, tým vyššia je hustota prúdu.Čím silnejšie je pole kritického prierazu lavín, tým sa môže zlepšiť napäťová odolnosť zariadenia.
Preto v oblasti palubného vysokého napätia môžu MOSFET a SBD pripravené z materiálov z karbidu kremíka nahradiť 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, po ktorých nasledujú OBC a DCDC.
800V napäťová platforma
V 800V napäťovej platforme, výhoda vysokej frekvencie robí podniky viac naklonené výberu SiC-MOSFET riešenia.Preto väčšina súčasného 800V elektronického plánovania riadenia SiC-MOSFET.
Plánovanie na úrovni platformy zahŕňamoderné E-GMP, GM Otenergy – pickup field, Porsche PPE a Tesla EPA.Okrem modelov platformy Porsche PPE, ktoré výslovne neobsahujú SiC-MOSFET (prvý model je IGBT na báze oxidu kremičitého), iné platformy vozidiel využívajú schémy SiC-MOSFET.
Univerzálna ultra energetická platforma
Plánovanie modelu 800 V je viac,The Great Wall Salon značky Jiagirong, Beiqi tyč Fox S HI verzia, ideálne auto S01 a W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 povedal, že bude niesť 800V platformu, okrem BYD, Lantu, GAC'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen tiež uviedol 800V technológiu vo výskume.
Zo situácie 800V objednávok získaných dodávateľmi Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics a Huichuanvšetky ohlásené objednávky elektrického pohonu 800V.
400V napäťová platforma
V napäťovej platforme 400 V sa SiC-MOSFET zameriava najmä na vysoký výkon a hustotu výkonu a vysokú účinnosť.
Ako napríklad motor Tesla Model 3\Y, ktorý sa teraz sériovo vyrába, špičkový výkon motora BYD Hanhou je asi 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW), NIO bude tiež používať produkty SiC-MOSFET od ET7 a ET5, ktorý bude uvedený neskôr.Špičkový výkon je 240 kW (ET5 210 kW).
Okrem toho, z hľadiska vysokej účinnosti, niektoré podniky tiež skúmajú uskutočniteľnosť doplnkových zaplavovacích produktov SiC-MOSFET.
Čas odoslania: júl-08-2023