Salīdzinot ar jaudas pusvadītājiem uz silīcija bāzes, SiC (silīcija karbīda) jaudas pusvadītājiem ir ievērojamas priekšrocības pārslēgšanas frekvencē, zudumos, siltuma izkliedē, miniaturizācijā utt.
Tesla plašā mērogā ražojot silīcija karbīda invertorus, arī vairāk uzņēmumu ir sākuši ražot silīcija karbīda izstrādājumus.
SiC ir tik “brīnišķīgs”, kā pie velna tas tika izgatavots? Kādi tagad ir pieteikumi? Paskatīsimies!
01 ☆ SiC dzimšana
Tāpat kā citi jaudas pusvadītāji, SiC-MOSFET nozares ķēde ietvergarais kristāls – substrāts – epitaksija – dizains – ražošana – iepakojums.
Garš kristāls
Garās kristāla saites laikā atšķirībā no Tiras metodes sagatavošanas, ko izmanto monokristāla silīcijs, silīcija karbīds galvenokārt izmanto fizikālu gāzes transportēšanas metodi (PVT, kas pazīstama arī kā uzlabotā Lly vai sēklu kristālu sublimācijas metode), augstas temperatūras ķīmiskās gāzes nogulsnēšanas metodi (HTCVD ) piedevas.
☆ Galvenais solis
1. Oglekļa cietā izejviela;
2. Pēc karsēšanas karbīda cietā viela kļūst par gāzi;
3. Gāzes pārvietošanās uz sēklu kristāla virsmu;
4. Uz sēklu kristāla virsmas izaug gāze par kristālu.
Attēla avots: “Tehniskais punkts PVT augšanas silīcija karbīda izjaukšanai”
Atšķirīga meistarība ir radījusi divus būtiskus trūkumus salīdzinājumā ar silīcija pamatni:
Pirmkārt, ražošana ir sarežģīta un raža ir zema.Oglekļa gāzes fāzes temperatūra pieaug virs 2300 ° C un spiediens ir 350 MPa. Tiek veikta visa tumšā kaste, un to ir viegli sajaukt piemaisījumos. Raža ir zemāka nekā silīcija bāzes. Jo lielāks diametrs, jo mazāka raža.
Otrais ir lēna izaugsme.PVT metodes pārvaldība ir ļoti lēna, ātrums ir aptuveni 0,3-0,5 mm/h, un tas var izaugt par 2 cm 7 dienu laikā. Maksimums var izaugt tikai 3–5 cm, un kristāla lietņa diametrs lielākoties ir 4 collas un 6 collas.
Uz silīcija bāzes izgatavotais 72H var izaugt līdz 2–3 m augstumam, ar diametru galvenokārt 6 collas un 8 collu jaunu ražošanas jaudu 12 collām.Tāpēc silīcija karbīdu bieži sauc par kristāla lietni, un silīcijs kļūst par kristāla nūju.
Karbīda silīcija kristāla lietņi
Substrāts
Pēc garā kristāla pabeigšanas tas nonāk substrāta ražošanas procesā.
Pēc mērķtiecīgas griešanas, slīpēšanas (rupja slīpēšana, smalka slīpēšana), pulēšanas (mehāniskā pulēšana), īpaši precīzas pulēšanas (ķīmiski mehāniskā pulēšana) tiek iegūts silīcija karbīda substrāts.
Substrāts galvenokārt spēlēfiziskā atbalsta loma, siltumvadītspēja un vadītspēja.Apstrādes grūtības ir tādas, ka silīcija karbīda materiāls ir augsts, kraukšķīgs un stabils pēc ķīmiskajām īpašībām. Tāpēc tradicionālās silīcija apstrādes metodes nav piemērotas silīcija karbīda substrātam.
Griešanas efekta kvalitāte tieši ietekmē silīcija karbīda izstrādājumu veiktspēju un izmantošanas efektivitāti (izmaksas), tāpēc tam ir jābūt mazam, vienmērīgam biezumam un zemam griešanas līmenim.
Šobrīd4 collu un 6 collu galvenokārt izmanto vairāku līniju griešanas aprīkojumu,silīcija kristālu sagriešana plānās šķēlēs, kuru biezums nepārsniedz 1 mm.
Vairāku līniju griešanas shematiska diagramma
Nākotnē, palielinoties karbonizēto silīcija plākšņu izmēram, palielināsies materiālu izmantošanas prasības, kā arī pakāpeniski tiks pielietotas tādas tehnoloģijas kā lāzergriešana un aukstā atdalīšana.
2018. gadā Infineon iegādājās Siltectra GmbH, kas izstrādāja novatorisku procesu, kas pazīstams kā aukstā krekinga.
Salīdzinot ar tradicionālo vairāku vadu griešanas procesa zudumu 1/4,aukstās krekinga procesā tika zaudēta tikai 1/8 no silīcija karbīda materiāla.
Pagarinājums
Tā kā silīcija karbīda materiāls nevar izgatavot barošanas ierīces tieši uz pamatnes, uz pagarinājuma slāņa ir nepieciešamas dažādas ierīces.
Tāpēc pēc substrāta ražošanas pabeigšanas, pagarināšanas procesā uz substrāta tiek uzaudzēta īpaša vienkristāla plāna plēve.
Pašlaik galvenokārt tiek izmantots ķīmiskās gāzes pārklāšanas metodes (CVD) process.
Dizains
Pēc substrāta izgatavošanas tas nonāk izstrādājuma projektēšanas stadijā.
MOSFET projektēšanas procesa uzmanības centrā ir rievas dizains,no vienas puses, lai izvairītos no patenta pārkāpumiem(Infineon, Rohm, ST utt. ir patentu izkārtojums), un, no otras puses, uzatbilst ražošanas un ražošanas izmaksām.
Vafeļu izgatavošana
Pēc produkta dizaina pabeigšanas tas nonāk vafeļu ražošanas stadijā,un process ir aptuveni līdzīgs silīcija procesam, kam galvenokārt ir šādas 5 darbības.
☆ 1. darbība: injicējiet masku
Tiek izgatavots silīcija oksīda (SiO2) plēves slānis, pārklāts fotorezists, homogenizācijas, ekspozīcijas, attīstīšanas uc posmos veidojas fotorezista raksts, un kodināšanas procesā figūra tiek pārnesta uz oksīda plēvi.
☆2. darbība: jonu implantācija
Maskētā silīcija karbīda plāksne tiek ievietota jonu implantētājā, kurā tiek ievadīti alumīnija joni, veidojot P veida dopinga zonu, un atkvēlināti, lai aktivizētu implantētos alumīnija jonus.
Oksīda plēve tiek noņemta, slāpekļa joni tiek ievadīti noteiktā P veida dopinga apgabala reģionā, veidojot drenāžas un avota N tipa vadošu reģionu, un implantētie slāpekļa joni tiek atkvēlināti, lai tos aktivizētu.
☆ 3. darbība. Izveidojiet režģi
Izveidojiet režģi. Teritorijā starp avotu un noteci vārtu oksīda slānis tiek sagatavots augstas temperatūras oksidācijas procesā, un vārtu elektroda slānis tiek nogulsnēts, lai izveidotu vārtu vadības struktūru.
☆ 4. darbība: pasivācijas slāņu veidošana
Tiek izgatavots pasivācijas slānis. Uzklājiet pasivācijas slāni ar labām izolācijas īpašībām, lai novērstu starpelektrodu bojājumus.
☆ 5. darbība. Izgatavojiet drenāžas avota elektrodus
Izveidojiet noteku un avotu. Pasivācijas slānis ir perforēts un metāls tiek izsmidzināts, lai izveidotu noteci un avotu.
Foto avots: Xinxi Capital
Lai gan ir maza atšķirība starp procesa līmeni un silīcija bāzes līmeni, silīcija karbīda materiālu īpašību dēļ,jonu implantācija un atkausēšana jāveic augstas temperatūras vidē(līdz 1600 ° C), augsta temperatūra ietekmēs paša materiāla režģa struktūru, un grūtības ietekmēs arī ražu.
Turklāt MOSFET komponentiem,vārtu skābekļa kvalitāte tieši ietekmē kanāla mobilitāti un vārtu uzticamību, jo silīcija karbīda materiālā ir divu veidu silīcija un oglekļa atomi.
Tāpēc ir nepieciešama īpaša vārtu barotnes augšanas metode (vēl viens punkts ir tas, ka silīcija karbīda loksne ir caurspīdīga, un pozīcijas izlīdzināšana fotolitogrāfijas stadijā ir grūti silīcija).
Pēc tam, kad vafeļu izgatavošana ir pabeigta, atsevišķa mikroshēma tiek sagriezta tukšā čipā un to var iepakot atbilstoši mērķim. Kopējais diskrētu ierīču process ir TO pakotne.
650 V CoolSiC™ MOSFET TO-247 iepakojumā
Foto: Infineon
Automobiļu nozarei ir augstas jaudas un siltuma izkliedes prasības, un dažreiz ir nepieciešams tieši izveidot tilta ķēdes (pustilts vai pilns tilts, vai tieši iepakots ar diodēm).
Tāpēc tas bieži tiek iesaiņots tieši moduļos vai sistēmās. Atbilstoši vienā modulī iepakoto mikroshēmu skaitam kopējā forma ir 1 in 1 (BorgWarner), 6 in 1 (Infineon) utt., un daži uzņēmumi izmanto vienas caurules paralēlo shēmu.
Borgwarner Viper
Atbalsta divpusējo ūdens dzesēšanu un SiC-MOSFET
Infineon CoolSiC™ MOSFET moduļi
Atšķirībā no silīcija,silīcija karbīda moduļi darbojas augstākā temperatūrā, aptuveni 200 ° C.
Tradicionālās mīkstās lodēšanas temperatūras kušanas temperatūras temperatūra ir zema, tā neatbilst temperatūras prasībām. Tāpēc silīcija karbīda moduļos bieži tiek izmantots zemas temperatūras sudraba saķepināšanas metināšanas process.
Kad modulis ir pabeigts, to var pielietot detaļu sistēmai.
Tesla Model3 motora kontrolieris
Kailā mikroshēma nāk no ST, pašu izstrādātas paketes un elektriskās piedziņas sistēmas
☆02 SiC pielietojuma statuss?
Automobiļu nozarē galvenokārt tiek izmantotas jaudas ierīcesDCDC, OBC, motoru invertori, elektriskie gaisa kondicionēšanas invertori, bezvadu uzlāde un citas detaļaskurām nepieciešama ātra maiņstrāvas/līdzstrāvas pārveidošana (DCDC galvenokārt darbojas kā ātrs slēdzis).
Foto: BorgWarner
Salīdzinot ar materiāliem uz silīcija bāzes, SIC materiāliem ir augstāki rādītājikritiskā lavīnas sabrukšanas lauka stiprums(3 × 106 V/cm),labāka siltumvadītspēja(49W/mK) unplašāka joslas sprauga(3,26eV).
Jo plašāka ir joslas sprauga, jo mazāka ir noplūdes strāva un augstāka efektivitāte. Jo labāka siltumvadītspēja, jo lielāks strāvas blīvums. Jo spēcīgāks ir kritiskais lavīnas sadalījuma lauks, jo var uzlabot ierīces sprieguma pretestību.
Tāpēc borta augstsprieguma jomā MOSFET un SBD, kas sagatavoti no silīcija karbīda materiāliem, lai aizstātu esošo silīcija bāzes IGBT un FRD kombināciju, var efektīvi uzlabot jaudu un efektivitāti,īpaši augstfrekvences lietojuma scenārijos, lai samazinātu pārslēgšanas zudumus.
Pašlaik tas, visticamāk, sasniegs liela mēroga lietojumus motoru invertoros, kam seko OBC un DCDC.
800V sprieguma platforma
800 V sprieguma platformā augstas frekvences priekšrocība liek uzņēmumiem vairāk izvēlēties SiC-MOSFET risinājumu. Tāpēc lielākā daļa pašreizējās 800V elektroniskās vadības plānošanas SiC-MOSFET.
Platformas līmeņa plānošana ietvermoderns E-GMP, GM Otenergy – pikaps, Porsche PPE un Tesla EPA.Izņemot Porsche PPE platformu modeļus, kas nepārprotami nesatur SiC-MOSFET (pirmais modelis ir uz silīcija dioksīda bāzes izgatavots IGBT), citas transportlīdzekļu platformas izmanto SiC-MOSFET shēmas.
Universāla Ultra enerģijas platforma
800 V modeļa plānošana ir vairāk,Great Wall Salon zīmols Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI versija, ideāls auto S01 un W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 teica, ka tā veiks 800V platformu, papildus BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen teica arī 800V tehnoloģiju pētniecībā.
No situācijas, kad Tier1 piegādātāji ir ieguvuši 800 V pasūtījumus,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics un Huichuanvisi paziņotie 800 V elektriskās piedziņas pasūtījumi.
400 V sprieguma platforma
400 V sprieguma platformā SiC-MOSFET galvenokārt ņem vērā lielu jaudu un jaudas blīvumu un augstu efektivitāti.
Piemēram, Tesla Model 3\Y motors, kas tagad tiek ražots masveidā, BYD Hanhou motora maksimālā jauda ir aptuveni 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO arī izmantos SiC-MOSFET produktus, sākot no ET7. un ET5, kas tiks uzskaitīts vēlāk. Maksimālā jauda ir 240Kw (ET5 210Kw).
Turklāt no augstas efektivitātes viedokļa daži uzņēmumi pēta arī SiC-MOSFET papildu produktu applūšanas iespējamību.
Publicēšanas laiks: 08.07.2023
