Ve srovnání s výkonovými polovodiči na bázi křemíku mají výkonové polovodiče SiC (karbid křemíku) významné výhody v oblasti spínací frekvence, ztrát, odvodu tepla, miniaturizace atd.
S velkovýrobou měničů z karbidu křemíku společností Tesla se stále více společností začalo zabývat i produkty z karbidu křemíku.
SiC je tak „úžasný“, jak se proboha vyrobil? Jaké jsou teď jeho aplikace? Podívejme se!
01 ☆ Zrození SiC
Stejně jako jiné výkonové polovodiče zahrnuje průmyslový řetězec SiC-MOSFETPropojení dlouhý krystal – substrát – epitaxe – návrh – výroba – balení.
Dlouhý krystal
Během dlouhé krystalové vazby, na rozdíl od přípravy metodou Tira používanou u monokrystalického křemíku, karbid křemíku používá převážně metodu fyzikálního transportu plynu (PVT, známou také jako vylepšená metoda Lly nebo sublimace semenných krystalů), doplněnou metodou vysokoteplotního chemického nanášení plynu (HTCUD).
☆ Základní krok
1. Uhlíková pevná surovina;
2. Po zahřátí se karbidová pevná látka stává plynnou;
3. Plyn se pohybuje na povrchu zárodečného krystalu;
4. Plyn roste na povrchu zárodečného krystalu do krystalu.
Zdroj obrázku: „Technický bod k demontáži PVT růstu karbidu křemíku“
Odlišné řemeslné zpracování způsobilo ve srovnání se silikonovou základnou dvě hlavní nevýhody:
Zaprvé, produkce je obtížná a výnos je nízký.Teplota plynné fáze na bázi uhlíku stoupá nad 2300 °C a tlak je 350 MPa. Celá tmavá krabice se provádí a snadno se mísí s nečistotami. Výtěžek je nižší než u křemíkové báze. Čím větší je průměr, tím nižší je výtěžek.
Druhým je pomalý růst.Řízení metody PVT je velmi pomalé, rychlost je asi 0,3-0,5 mm/h a za 7 dní může vyrůst o 2 cm. Maximální růst může být pouze 3-5 cm a průměr krystalového ingotu je většinou 4 a 6 palců.
Křemíkový 72H může dorůst výšky 2–3 m, s průměrem většinou 6 palců a 8 palců s novou produkční kapacitou 12 palců.Karbid křemíku se proto často nazývá krystalový ingot a křemík se stává krystalovou tyčinkou.
Ingoty z karbidových krystalů křemíku
Substrát
Po dokončení dlouhého krystalu vstupuje do výrobního procesu substrátu.
Po cíleném řezání, broušení (hrubé broušení, jemné broušení), leštění (mechanické leštění) a ultrapřesném leštění (chemicko-mechanické leštění) se získá substrát z karbidu křemíku.
Substrát hraje hlavněrole fyzické podpory, tepelné vodivosti a vodivosti.Obtížnost zpracování spočívá v tom, že materiál z karbidu křemíku je vysoce křehký, křupavý a chemicky stabilní. Proto tradiční metody zpracování na bázi křemíku nejsou pro substráty z karbidu křemíku vhodné.
Kvalita řezného efektu přímo ovlivňuje výkon a efektivitu využití (náklady) výrobků z karbidu křemíku, takže je nutné, aby byl malý, měl rovnoměrnou tloušťku a měl nízký řezný výkon.
V současné době4palcové a 6palcové řezací stroje používají hlavně víceřádkové řezací zařízení,řezání křemíkových krystalů na tenké plátky o tloušťce maximálně 1 mm.
Schéma víceřádkového řezání
V budoucnu se s rostoucí velikostí karbonizovaných křemíkových destiček zvýší i požadavky na využití materiálu a postupně se budou uplatňovat i technologie, jako je laserové řezání a studená separace.
V roce 2018 společnost Infineon koupila společnost Siltectra GmbH, která vyvinula inovativní proces známý jako krakování za studena.
Ve srovnání s tradičním vícedrátovým řezacím procesem je ztráta 1/4,Proces praskání za studena ztratil pouze 1/8 materiálu karbidu křemíku.
Rozšíření
Protože materiál z karbidu křemíku nemůže vytvářet výkonová zařízení přímo na substrátu, jsou na rozšiřující vrstvě zapotřebí různá zařízení.
Proto se po dokončení výroby substrátu na substrátu pomocí procesu extenze vypěstuje specifický tenký film monokrystalu.
V současné době se používá hlavně proces chemické depozice plynů (CVD).
Design
Po výrobě substrátu se vstupuje do fáze návrhu produktu.
U MOSFETů se proces návrhu zaměřuje na návrh drážky,na jedné straně, aby se zabránilo porušení patentu(Infineon, Rohm, ST atd. mají patentované uspořádání) a na druhé straněsplňovat požadavky na vyrobitelnost a výrobní náklady.
Výroba destiček
Po dokončení návrhu produktu vstupuje do fáze výroby destiček,a proces je zhruba podobný procesu s křemíkem, který má hlavně následujících 5 kroků.
☆Krok 1: Aplikujte masku
Vytvoří se vrstva filmu oxidu křemičitého (SiO2), nanese se fotorezist, vzor fotorezistu se vytvoří kroky homogenizace, expozice, vyvolání atd. a obrázek se přenese na oxidový film leptáním.
☆Krok 2: Iontová implantace
Maskovaná destička z karbidu křemíku se umístí do iontového implantátoru, kde se vstřikují ionty hliníku za vzniku dopovací zóny typu P, a žíhá se, aby se implantované ionty hliníku aktivovaly.
Oxidový film se odstraní, ionty dusíku se vstříknou do specifické oblasti dopující oblasti typu P za vzniku vodivé oblasti typu N odtoku a zdroje a implantované ionty dusíku se žíhají, aby se aktivovaly.
☆Krok 3: Vytvořte mřížku
Vytvořte mřížku. V oblasti mezi zdrojem a odtokem se pomocí vysokoteplotní oxidace připraví vrstva oxidu hradla a vrstva elektrody hradla se nanese za vzniku řídicí struktury hradla.
☆Krok 4: Vytvoření pasivačních vrstev
Je vytvořena pasivační vrstva. Naneste pasivační vrstvu s dobrými izolačními vlastnostmi, aby se zabránilo průrazu mezi elektrodami.
☆Krok 5: Výroba elektrod typu drain-source
Vytvořte odtok a zdroj. Pasivační vrstva je perforována a kov je naprašován, čímž vznikne odtok a zdroj.
Zdroj fotografií: Xinxi Capital
Ačkoli je mezi procesní úrovní a na bázi křemíku malý rozdíl, a to vzhledem k vlastnostem materiálů na bázi karbidu křemíku,Iontová implantace a žíhání musí být prováděny v prostředí s vysokou teplotou(až 1600 °C), vysoká teplota ovlivní mřížkovou strukturu samotného materiálu a obtížnost také ovlivní výtěžnost.
Kromě toho, pro součástky MOSFET,Kvalita kyslíku v hradlu přímo ovlivňuje mobilitu kanálu a spolehlivost hradlu., protože v materiálu karbidu křemíku existují dva druhy atomů křemíku a uhlíku.
Proto je vyžadována speciální metoda růstu v hradlovém médiu (dalším bodem je, že deska z karbidu křemíku je průhledná a zarovnání polohy ve fázi fotolitografie je obtížné zajistit pomocí křemíku).
Po dokončení výroby destičky se jednotlivý čip rozřeže na holý a lze jej zabalit dle účelu. Běžným postupem pro diskrétní součástky je balení TO.
MOSFETy CoolSiC™ 650 V v pouzdře TO-247
Foto: Infineon
Automobilový průmysl má vysoké požadavky na výkon a odvod tepla a někdy je nutné přímo sestavit můstkové obvody (poloviční nebo plný můstek, nebo přímo zabudované diody).
Proto se často balí přímo do modulů nebo systémů. Podle počtu čipů zabalených v jednom modulu je běžnou formou 1 v 1 (BorgWarner), 6 v 1 (Infineon) atd. a některé společnosti používají paralelní schéma s jednou elektronkou.
Borgwarnerova zmije
Podporuje oboustranné vodní chlazení a SiC-MOSFET
Moduly MOSFET Infineon CoolSiC™
Na rozdíl od křemíku,Moduly z karbidu křemíku pracují při vyšší teplotě, okolo 200 °C.
Tradiční teplota tání měkké pájky je nízká a nemůže splňovat teplotní požadavky. Proto se moduly z karbidu křemíku často svařují nízkoteplotním procesem spékání stříbra.
Po dokončení modulu jej lze aplikovat na systém dílů.
Řídicí jednotka motoru Tesla Model3
Holý čip pochází z pouzdra a elektrického pohonného systému vyvinutého společností ST
☆02 Stav aplikace SiC?
V automobilovém průmyslu se výkonová zařízení používají hlavně vDCDC, OBC, měniče motorů, měniče elektrických klimatizací, bezdrátové nabíjení a další dílykteré vyžadují rychlou převod AC/DC (DCDC funguje hlavně jako rychlý spínač).
Foto: BorgWarner
Ve srovnání s materiály na bázi křemíku mají materiály SIC vyššíkritická intenzita pole lavinového průrazu(3×106 V/cm),lepší tepelná vodivost(49 W/mK) aširší zakázané pásmo(3,26 eV).
Čím širší je zakázané pásmo, tím menší je svodový proud a tím vyšší je účinnost. Čím lepší je tepelná vodivost, tím vyšší je proudová hustota. Čím silnější je kritické lavinové průrazné pole, tím lépe lze zlepšit napěťový odpor součástky.
Proto v oblasti palubního vysokého napětí mohou MOSFETy a SBD vyrobené z karbidu křemíku, které nahrazují stávající kombinaci IGBT a FRD na bázi křemíku, účinně zlepšit výkon a účinnost.zejména ve vysokofrekvenčních aplikacích, aby se snížily ztráty při spínání.
V současné době je nejpravděpodobnější, že dosáhne rozsáhlých aplikací v motorových měničích, následovaných OBC a DCDC.
Platforma s napětím 800 V
Na platformě napětí 800 V vede výhoda vysoké frekvence podniky k volbě řešení SiC-MOSFET. Proto většina současných elektronických řídicích systémů pro 800 V plánuje používat SiC-MOSFET.
Plánování na úrovni platformy zahrnujemoderní E-GMP, GM Otenergy – oblast pickupů, Porsche OOP a Tesla EPA.S výjimkou modelů platformy Porsche PPE, které explicitně nenesou SiC-MOSFET (první model je IGBT na bázi oxidu křemičitého), ostatní platformy vozidel používají schémata SiC-MOSFET.
Univerzální ultra energetická platforma
Plánování modelu 800V je více,Značka Jiagirong od Great Wall Salon, verze Beiqi Pole Fox S HI, ideální vůz S01 a W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Společnost Changan Avita E11 uvedla, že bude používat platformu 800V, a kromě BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag také Volkswagen uvedl, že technologii 800V ve výzkumu využije.
Ze situace objednávek 800V získaných dodavateli Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics a Huichuanvšechny oznámené objednávky elektrických pohonů 800 V.
Platforma s napětím 400 V
V napěťové platformě 400V se SiC-MOSFET zaměřuje především na vysoký výkon a hustotu výkonu a vysokou účinnost.
Například motor Tesla Model 3/Y, který se nyní sériově vyrábí, má špičkový výkon motoru BYD Hanhou přibližně 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW). NIO bude také používat produkty SiC-MOSFET počínaje ET7 a ET5, které budou uvedeny později. Špičkový výkon je 240 kW (ET5 210 kW).
Kromě toho z hlediska vysoké účinnosti některé podniky zkoumají také proveditelnost pomocných zaplavovacích produktů SiC-MOSFET.
Čas zveřejnění: 8. července 2023
