Salīdzinot ar silīcija bāzes jaudas pusvadītājiem, SiC (silīcija karbīda) jaudas pusvadītājiem ir ievērojamas priekšrocības komutācijas frekvencē, zudumos, siltuma izkliedē, miniaturizācijā utt.
Līdz ar Tesla plašo silīcija karbīda invertoru ražošanu, arvien vairāk uzņēmumu ir sākuši laist klajā silīcija karbīda produktus.
SiC ir tik “apbrīnojams”, kā tas vispār tika iegūts? Kādi ir tā pielietojumi tagad? Redzēsim!
01 ☆ SiC dzimšana
Tāpat kā citi jaudas pusvadītāji, arī SiC-MOSFET nozares ķēde ietverGarā kristāla – substrāta – epitaksijas – dizaina – ražošanas – iepakošanas saikne.
Garš kristāls
Garās kristāla saites laikā, atšķirībā no Tira metodes, ko izmanto monokristāla silīcija sagatavošanai, silīcija karbīds galvenokārt izmanto fizikālo gāzes transportēšanas metodi (PVT, kas pazīstama arī kā uzlabotā Lly vai sēklas kristāla sublimācijas metode), kā arī augsttemperatūras ķīmiskās gāzes nogulsnēšanas metodi (HTCVD).
☆ Galvenais solis
1. Oglekļa cietviela;
2. Pēc karsēšanas karbīda cietviela kļūst par gāzi;
3. Gāze pārvietojas uz sēklas kristāla virsmu;
4. Gāze uz sēklas kristāla virsmas izaug, veidojot kristālu.
Attēla avots: “Tehniskais punkts PVT augšanas silīcija karbīda izjaukšanai”
Atšķirīga meistarība ir radījusi divus būtiskus trūkumus salīdzinājumā ar silīcija bāzi:
Pirmkārt, ražošana ir sarežģīta, un raža ir zema.Oglekļa bāzes gāzes fāzes temperatūra paaugstinās virs 2300 °C, un spiediens ir 350 MPa. Tiek veikta pilnīga tumšā kaste, un to ir viegli sajaukt ar piemaisījumiem. Iznākums ir zemāks nekā silīcija bāzei. Jo lielāks diametrs, jo zemāka iznākums.
Otrais ir lēna izaugsme.PVT metodes pārvaldība ir ļoti lēna, ātrums ir aptuveni 0,3–0,5 mm/h, un tā var izaugt par 2 cm 7 dienu laikā. Maksimālais pieaugums var būt tikai 3–5 cm, un kristāla stieņa diametrs pārsvarā ir 4 collas un 6 collas.
Uz silīcija bāzes veidotais 72H var izaugt 2–3 m augstumā, ar diametru pārsvarā 6 collas un 8 collas, jaunā ražošanas jauda 12 collām.Tāpēc silīcija karbīdu bieži sauc par kristāla stieņu, un silīcijs kļūst par kristāla stienīti.
Karbīda silīcija kristāla lietņi
Substrāts
Pēc garā kristāla pabeigšanas tas nonāk substrāta ražošanas procesā.
Pēc mērķtiecīgas griešanas, slīpēšanas (rupjas slīpēšanas, smalkas slīpēšanas), pulēšanas (mehāniskās pulēšanas), īpaši precīzas pulēšanas (ķīmiskās mehāniskās pulēšanas) tiek iegūts silīcija karbīda substrāts.
Substrāts galvenokārt spēlēfiziskā atbalsta, siltumvadītspējas un vadītspējas loma.Apstrādes grūtības ir tādas, ka silīcija karbīda materiālam ir augsta cietība, kraukšķīga tekstūra un ķīmiskās īpašības ir stabilas. Tāpēc tradicionālās uz silīcija bāzes veidotās apstrādes metodes nav piemērotas silīcija karbīda substrātam.
Griešanas efekta kvalitāte tieši ietekmē silīcija karbīda izstrādājumu veiktspēju un izmantošanas efektivitāti (izmaksas), tāpēc tiem jābūt maziem, vienmērīga biezuma un ar zemu griešanas pakāpi.
Pašlaik4 collu un 6 collu galvenokārt izmanto daudzlīniju griešanas iekārtas,silīcija kristālu sagriešana plānās šķēlēs, kuru biezums nepārsniedz 1 mm.
Daudzlīniju griešanas shematiska diagramma
Nākotnē, palielinoties karbonizēto silīcija plākšņu izmēram, palielināsies materiālu izmantošanas prasību pieaugums, un pakāpeniski tiks pielietotas arī tādas tehnoloģijas kā lāzergriešana un aukstā atdalīšana.
2018. gadā Infineon iegādājās Siltectra GmbH, kas izstrādāja inovatīvu procesu, kas pazīstams kā aukstā krekinga metode.
Salīdzinot ar tradicionālo daudzvadu griešanas procesu, zudumi ir 1/4,Aukstās krekinga procesā tika zaudēta tikai 1/8 no silīcija karbīda materiāla.
Paplašinājums
Tā kā silīcija karbīda materiāls nevar izgatavot barošanas ierīces tieši uz substrāta, pagarinājuma slānī ir nepieciešamas dažādas ierīces.
Tāpēc pēc substrāta ražošanas pabeigšanas uz substrāta, izmantojot pagarināšanas procesu, tiek audzēta īpaša monokristāla plāna plēve.
Pašlaik galvenokārt tiek izmantota ķīmiskās gāzes nogulsnēšanas metode (CVD).
Dizains
Pēc substrāta izgatavošanas tas nonāk produkta dizaina posmā.
MOSFET gadījumā projektēšanas procesa uzmanības centrā ir rievas dizains,no vienas puses, lai izvairītos no patentu pārkāpumiem(Infineon, Rohm, ST u.c. ir patentēts izkārtojums), un, no otras puses, uzapmierinātu ražojamības un ražošanas izmaksas.
Vafeļu izgatavošana
Pēc produkta dizaina pabeigšanas tas nonāk plākšņu ražošanas posmā,un process ir aptuveni līdzīgs silīcija procesam, kam galvenokārt ir šādi 5 soļi.
☆ 1. solis: Injicējiet masku
Tiek izgatavots silīcija oksīda (SiO2) plēves slānis, pārklāts fotorezists, homogenizācijas, ekspozīcijas, attīstīšanas u. c. darbības gaitā tiek izveidots fotorezista raksts, un kodināšanas procesā attēls tiek pārnests uz oksīda plēvi.
☆2. solis: jonu implantācija
Maskēto silīcija karbīda vafeli ievieto jonu implantētājā, kur tiek ievadīti alumīnija joni, veidojot P veida dopinga zonu, un atkvēlina, lai aktivizētu implantētos alumīnija jonus.
Oksīda plēve tiek noņemta, slāpekļa joni tiek ievadīti noteiktā P tipa dopinga apgabalā, veidojot drenāžas un avota N tipa vadošo apgabalu, un implantētie slāpekļa joni tiek atkvēlināti, lai tos aktivizētu.
☆3. solis: Izveidojiet režģi
Izveidojiet režģi. Zonā starp avotu un noteci ar augstas temperatūras oksidācijas procesu tiek sagatavots vārtu oksīda slānis, un vārtu elektroda slānis tiek uzklāts, lai izveidotu vārtu vadības struktūru.
☆4. solis: pasivācijas slāņu izgatavošana
Tiek izgatavots pasivācijas slānis. Uzklājiet pasivācijas slāni ar labām izolācijas īpašībām, lai novērstu starpelektrodu sabrukšanu.
☆5. solis: Izveidojiet noteces-avota elektrodus
Izveidojiet noteku un avotu. Pasivācijas slānis ir perforēts, un metāls tiek izsmidzināts, lai izveidotu noteku un avotu.
Foto avots: Xinxi Capital
Lai gan starp procesa līmeni un uz silīcija bāzes veidoto ir neliela atšķirība, ņemot vērā silīcija karbīda materiālu īpašības,Jonu implantācija un atkvēlināšana jāveic augstas temperatūras vidē(līdz 1600 ° C), augsta temperatūra ietekmēs paša materiāla režģa struktūru, un grūtības ietekmēs arī ražu.
Turklāt MOSFET komponentiemVārtu 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 aspekts ir tas, ka silīcija karbīda loksne ir caurspīdīga, un fotolitogrāfijas posmā pozīcijas izlīdzināšana ir sarežģīta ar silīciju).
Pēc vafeļu ražošanas pabeigšanas atsevišķa mikroshēma tiek sagriezta tukšā mikroshēmā un var tikt iepakota atbilstoši mērķim. Diskrēto ierīču gadījumā izplatītākais process ir TO iepakošana.
650 V CoolSiC™ MOSFET tranzistori TO-247 korpusā
Foto: Infineon
Automobiļu nozarē ir augstas jaudas un siltuma izkliedes prasības, un dažreiz ir nepieciešams tieši veidot tilta shēmas (pus tilta vai pilna tilta, vai tieši iepakotas ar diodēm).
Tāpēc to bieži iepako tieši moduļos vai sistēmās. Atkarībā no vienā modulī iepakoto mikroshēmu skaita, izplatītākā forma ir 1 vienā (BorgWarner), 6 vienā (Infineon) utt., un daži uzņēmumi izmanto vienas caurules paralēlo shēmu.
Borgwarner Viper
Atbalsta divpusēju ūdens dzesēšanu un SiC-MOSFET
Infineon CoolSiC™ MOSFET moduļi
Atšķirībā no silīcija,Silīcija karbīda moduļi darbojas augstākā temperatūrā, aptuveni 200 °C.
Tradicionālā mīkstlodēšanas temperatūra ir zema, un kušanas temperatūra nevar atbilst temperatūras prasībām. Tāpēc silīcija karbīda moduļos bieži tiek izmantots zemas temperatūras sudraba sintēzes metināšanas process.
Pēc moduļa pabeigšanas to var pielietot detaļu sistēmā.
Tesla Model3 motora kontrolieris
Tukšā mikroshēma nāk no ST, pašattīstītas paketes un elektriskās piedziņas sistēmas
☆02 SiC pieteikuma statuss?
Automobiļu nozarē jaudas ierīces galvenokārt tiek izmantotasDCDC, OBC, motoru invertori, elektrisko gaisa kondicionēšanas invertori, bezvadu uzlāde un citas detaļaskam nepieciešama ātra maiņstrāvas/līdzstrāvas pārveidošana (DCDC galvenokārt darbojas kā ātrais slēdzis).
Foto: BorgWarner
Salīdzinot ar materiāliem uz silīcija bāzes, SIC materiāliem ir augstākas īpašības.kritiskās lavīnas sabrukšanas lauka stiprums(3×10⁶V/cm),labāka siltumvadītspēja(49 W/mK) unplašāka joslas atstarpe(3,26 eV).
Jo platāka ir joslas sprauga, jo mazāka ir noplūdes strāva un jo augstāka ir efektivitāte. Jo labāka ir siltumvadītspēja, jo lielāks ir strāvas blīvums. Jo spēcīgāks ir kritiskās lavīnas sabrukšanas lauks, jo spēcīgāka ir ierīces sprieguma pretestība.
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 lietojumprogrammu scenārijos, lai samazinātu komutācijas zudumus.
Pašlaik visticamāk, ka tas sasniegs liela mēroga pielietojumu motoru invertoros, kam sekos OBC un DCDC.
800 V sprieguma platforma
800 V sprieguma platformā augstfrekvences priekšrocība liek uzņēmumiem vairāk izvēlēties SiC-MOSFET risinājumu. Tāpēc lielākā daļa pašreizējo 800 V elektroniskās vadības plānu ir SiC-MOSFET.
Platformas līmeņa plānošana ietvermūsdienu E-GMP, GM Otenergy – pikapu lauks, Porsche IAL un Tesla EPA.Izņemot Porsche PPE platformas modeļus, kuros nav skaidri norādīta SiC-MOSFET tehnoloģija (pirmais modelis ir uz silīcija dioksīda bāzes veidots 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, ideāla automašīna S01 un W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11 paziņoja, ka tas veiks 800 V platformu, papildus BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag, arī Volkswagen paziņoja par 800 V tehnoloģijas izpēti.
No situācijas, kad 800 V pasūtījumi ir iegūti no 1. līmeņa piegādātājiem,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics un Huichuanvisi paziņotie 800 V elektrisko piedziņu pasūtījumi.
400 V sprieguma platforma
400 V sprieguma platformā SiC-MOSFET galvenokārt tiek ņemts vērā ar augstu jaudu, jaudas blīvumu un augstu efektivitāti.
Piemēram, Tesla Model 3\Y motoram, kas tagad tiek ražots masveidā, BYD Hanhou motora maksimālā jauda ir aptuveni 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW), NIO izmantos arī SiC-MOSFET produktus, sākot ar ET7 un ET5, kas tiks uzskaitīti vēlāk. Maksimālā jauda ir 240 kW (ET5 210 kW).
Turklāt, no augstas efektivitātes viedokļa, daži uzņēmumi arī pēta SiC-MOSFET produktu papildu applūšanas iespējamību.
Publicēšanas laiks: 2023. gada 8. jūlijs
