Ve srovnání s výkonovými polovodiči na bázi křemíku mají výkonové polovodiče SiC (karbid křemíku) významné výhody ve spínací frekvenci, ztrátě, rozptylu tepla, miniaturizaci atd.
S rozsáhlou výrobou měničů z karbidu křemíku společností Tesla začalo více společností také vyrábět produkty z karbidu křemíku.
SiC je tak „úžasný“, jak se to proboha vyrobilo?Jaké jsou nyní aplikace?Uvidíme!
01 ☆ Zrození SiC
Stejně jako ostatní výkonové polovodiče zahrnuje průmyslový řetězec SiC-MOSFETdlouhý krystal – substrát – epitaxe – design – výroba – obal.
Dlouhý krystal
Během dlouhého krystalového spojení, na rozdíl od přípravy metody Tira používané monokrystalickým křemíkem, karbid křemíku používá hlavně metodu fyzického transportu plynu (PVT, také známá jako zlepšená metoda sublimace Lly nebo seed crystal), vysokoteplotní metodu chemické depozice plynu ( HTCVD ) doplňky.
☆ Základní krok
1. Uhlíková pevná surovina;
2. Po zahřátí se z pevného karbidu stane plyn;
3. Pohyb plynu na povrch zárodečného krystalu;
4. Plyn roste na povrchu zárodečného krystalu do krystalu.
Zdroj obrázku: „Technický bod pro demontáž karbidu křemíku pro růst PVT“
Rozdílné řemeslné zpracování způsobilo dvě velké nevýhody ve srovnání s křemíkovým základem:
Za prvé, výroba je obtížná a výnos je nízký.Teplota plynné fáze na bázi uhlíku roste nad 2300 °C a tlak je 350 MPa.Celá tmavá krabice je vynesena a snadno se vmíchá do nečistot.Výtěžnost je nižší než u křemíkové báze.Čím větší průměr, tím nižší výnos.
Druhým je pomalý růst.Řízení metody PVT je velmi pomalé, rychlost je asi 0,3-0,5 mm/h a může narůst o 2 cm za 7 dní.Maximum může vyrůst pouze 3-5 cm a průměr krystalového ingotu je většinou 4 palce a 6 palců.
Silicon-based 72H může dorůst do výšky 2-3 m, s průměry většinou 6 palců a 8 palců novou výrobní kapacitou pro 12 palců.Proto se karbid křemíku často nazývá krystalový ingot a křemík se stává krystalovou tyčinkou.
Karbidové křemíkové krystalové ingoty
Podklad
Po dokončení dlouhého krystalu vstupuje do procesu výroby substrátu.
Po cíleném řezání, broušení (hrubé broušení, jemné broušení), leštění (mechanické leštění), ultra přesné leštění (chemické mechanické leštění) se získá substrát z karbidu křemíku.
Hraje hlavně substrátroli fyzické podpory, tepelné vodivosti a vodivosti.Obtížnost zpracování spočívá v tom, že materiál karbidu křemíku je vysoký, křupavý a stabilní v chemických vlastnostech.Proto tradiční metody zpracování na bázi křemíku nejsou vhodné pro substrát z karbidu křemíku.
Kvalita řezného efektu přímo ovlivňuje výkon a efektivitu využití (náklady) výrobků z karbidu křemíku, takže je požadováno, aby byly malé, stejnoměrná tloušťka a nízké řezy.
V současnosti,4" a 6" používá hlavně víceřádkové řezací zařízení,řezání krystalů křemíku na tenké plátky o tloušťce ne větší než 1 mm.
Schéma víceřádkového řezání
V budoucnu, s nárůstem velikosti karbonizovaných křemíkových plátků, porostou požadavky na využití materiálu a postupně se budou uplatňovat i technologie jako laserové krájení a separace za studena.
V roce 2018 společnost Infineon získala společnost Siltectra GmbH, která vyvinula inovativní proces známý jako krakování za studena.
Ve srovnání s tradičním vícedrátovým procesem řezání ztráta 1/4,proces krakování za studena ztratil pouze 1/8 materiálu karbidu křemíku.
Rozšíření
Protože materiál karbidu křemíku nemůže vyrábět výkonová zařízení přímo na substrátu, jsou na prodlužovací vrstvě vyžadována různá zařízení.
Po dokončení výroby substrátu proto na substrátu prostřednictvím procesu prodlužování vyroste specifický tenký krystalický film.
V současnosti se používá především proces chemické depozice plynů (CVD).
Design
Poté, co je substrát vyroben, vstupuje do fáze návrhu produktu.
Pro MOSFET je těžištěm procesu návrhu návrh drážky,na jedné straně, aby nedošlo k porušení patentu(Infineon, Rohm, ST atd. mají patentové uspořádání) a na druhé straně ksplňují výrobní náklady a výrobní náklady.
Výroba oplatek
Po dokončení návrhu produktu vstupuje do fáze výroby plátků,a proces je zhruba podobný jako u křemíku, který má hlavně následujících 5 kroků.
☆Krok 1: Vstříkněte masku
Vytvoří se vrstva filmu oxidu křemíku (SiO2), fotorezist se potáhne, vzorek fotorezistu se vytvoří pomocí kroků homogenizace, expozice, vyvolání atd. a obrazec se přenese na oxidový film pomocí procesu leptání.
☆Krok 2: Iontová implantace
Maskovaný plátek karbidu křemíku je umístěn do iontového implantátoru, kde jsou hliníkové ionty vstřikovány za vytvoření dopingové zóny typu P a žíhány, aby se aktivovaly implantované hliníkové ionty.
Oxidový film se odstraní, ionty dusíku se vstříknou do specifické oblasti dopingové oblasti typu P, aby se vytvořila vodivá oblast 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 je vrstva oxidu hradla připravena procesem oxidace při vysoké teplotě a vrstva elektrody hradla je nanesena tak, aby vytvořila strukturu ovládání hradla.
☆Krok 4: Vytvoření pasivačních vrstev
Je provedena pasivační vrstva.Naneste pasivační vrstvu s dobrými izolačními vlastnostmi, aby se zabránilo rozpadu mezi elektrodami.
☆Krok 5: Vyrobte elektrody zdroje kolektoru
Udělejte odtok a zdroj.Pasivační vrstva je perforována a kov je naprášen, aby vytvořil drenáž a zdroj.
Zdroj fotografií: Xinxi Capital
Ačkoli existuje malý rozdíl mezi úrovní procesu a na bázi křemíku, kvůli vlastnostem materiálů z karbidu křemíku,iontová implantace a žíhání musí být prováděny v prostředí s vysokou teplotou(až 1600 °C), vysoká teplota ovlivní samotnou mřížkovou strukturu materiálu a obtížnost také ovlivní výtěžnost.
Navíc pro komponenty MOSFET,kvalita vstupního kyslíku přímo ovlivňuje pohyblivost kanálu a spolehlivost brány, protože v materiálu karbidu křemíku jsou dva druhy atomů křemíku a uhlíku.
Proto je vyžadována speciální metoda růstu hradlového média (dalším bodem je, že list karbidu křemíku je průhledný a vyrovnání polohy ve fázi fotolitografie je obtížné křemíkem).
Po dokončení výroby destičky je jednotlivý čip nařezán na holý čip a může být zabalen podle účelu.Běžným procesem pro diskrétní zařízení je balíček TO.
650V CoolSiC™ MOSFET v pouzdru TO-247
Foto: Infineon
Automobilový průmysl má vysoké požadavky na výkon a odvod tepla a někdy je nutné přímo stavět můstkové obvody (poloviční můstek nebo plný můstek, nebo přímo zabalené s diodami).
Proto se často balí přímo do modulů nebo systémů.Podle počtu čipů zabalených v jednom modulu je běžná forma 1 v 1 (BorgWarner), 6 v 1 (Infineon) atd. a některé společnosti používají jednotrubkové paralelní schéma.
Borgwarner Viper
Podporuje oboustranné vodní chlazení a SiC-MOSFET
Moduly MOSFET Infineon CoolSiC™
Na rozdíl od křemíku,Moduly z karbidu křemíku pracují při vyšší teplotě, asi 200 °C.
Tradiční teplota měkké pájky teplota bodu tání je nízká, nemůže splnit požadavky na teplotu.Proto moduly z karbidu křemíku často používají nízkoteplotní proces svařování slinováním stříbra.
Po dokončení modulu jej lze aplikovat na systém dílů.
Ovladač motoru Tesla Model3
Holý čip pochází od ST, samostatně vyvinutého balíčku a elektrického pohonného systému
☆02 Aplikační status SiC?
V automobilovém průmyslu se výkonová zařízení používají především vDCDC, OBC, motorové měniče, elektrické měniče klimatizace, bezdrátové nabíjení a další dílykteré vyžadují rychlou konverzi AC/DC (DCDC funguje hlavně jako rychlý přepínač).
Foto: BorgWarner
Ve srovnání s materiály na bázi křemíku mají materiály SIC vyššíkritický lavinový průraz síla pole(3×106V/cm),lepší tepelnou vodivost(49W/mK) aširší pásmový rozdíl(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 pole lavinového průrazu, tím se může zlepšit napěťová odolnost zařízení.
Proto v oblasti palubního vysokého napětí mohou MOSFETy a SBD připravené materiály z karbidu křemíku nahradit stávající kombinaci IGBT a FRD na bázi křemíku účinně zlepšit výkon a účinnost,zejména ve scénářích vysokofrekvenčních aplikací ke snížení ztrát při přepínání.
V současné době je nejpravděpodobnější dosáhnout rozsáhlých aplikací v motorových měničích, následovaných OBC a DCDC.
Platforma napětí 800V
V napěťové platformě 800 V jsou díky výhodě vysoké frekvence podniky více nakloněny volbě řešení SiC-MOSFET.Proto většina současného 800V elektronického plánování plánování SiC-MOSFET.
Plánování na úrovni platformy zahrnujemoderní E-GMP, GM Otenergy – pickup field, Porsche PPE a Tesla EPA.Kromě modelů platformy Porsche PPE, které výslovně nenesou SiC-MOSFET (první model je IGBT na bázi oxidu křemičitého), jiné platformy vozidel přebírají schémata SiC-MOSFET.
Univerzální ultra energetická platforma
Plánování modelu 800V je více,The Great Wall Salon značky Jiagirong, Beiqi tyč Fox S HI verze, ideální auto S01 a W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11 řekl, že bude nést 800V platformu, kromě BYD, Lantu, GAC'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen také uvedl 800V technologii ve výzkumu.
Ze situace 800V objednávek získaných dodavateli Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics a Huichuanvšechny oznámené objednávky elektrického pohonu 800V.
Platforma napětí 400V
V napěťové platformě 400 V se SiC-MOSFET zaměřuje především na vysoký výkon a hustotu výkonu a vysokou účinnost.
Jako například motor Tesla Model 3\Y, který se nyní sériově vyrábí, špičkový výkon motoru BYD Hanhou je asi 200 kW (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO bude také používat produkty SiC-MOSFET počínaje ET7 a ET5, který bude uveden později.Špičkový výkon je 240Kw (ET5 210Kw).
Kromě toho z hlediska vysoké účinnosti některé podniky také zkoumají proveditelnost produktů SiC-MOSFET pro pomocné zaplavování.
Čas odeslání: Červenec-08-2023