V primerjavi s polprevodniki na osnovi silicija imajo polprevodniki iz silicija (SiC) znatne prednosti pri preklopni frekvenci, izgubah, odvajanju toplote, miniaturizaciji itd.
Z obsežno proizvodnjo silicijevih karbidnih razsmernikov s strani Tesle je tudi več podjetij začelo nabavljati izdelke iz silicijevega karbida.
SiC je tako "neverjeten", kako za vraga je bil narejen? Kakšne so zdaj aplikacije? Poglejmo!
01 ☆ Rojstvo SiC-ja
Tako kot drugi močnostni polprevodniki tudi industrijska veriga SiC-MOSFET vključujePovezava dolgi kristal – substrat – epitaksija – načrtovanje – izdelava – pakiranje.
Dolgi kristal
Med dolgo kristalno povezavo, za razliko od priprave metode Tira, ki jo uporablja monokristalni silicij, silicijev karbid v glavnem uporablja metodo fizičnega transporta plina (PVT, znano tudi kot izboljšana metoda Lly ali sublimacija semenskih kristalov), ki jo dopolnjuje metoda kemičnega nanašanja plina pri visoki temperaturi (HTTVD).
☆ Osnovni korak
1. Ogljikova trdna surovina;
2. Po segrevanju se karbidna trdna snov spremeni v plin;
3. Plin se premakne na površino semenskega kristala;
4. Plin raste na površini semenskega kristala v kristal.
Vir slike: »Tehnična točka za razstavljanje silicijevega karbida za rast PVT«
Drugačna izdelava je v primerjavi s silicijevim podstavkom povzročila dve večji pomanjkljivosti:
Prvič, pridelava je težka in donos je nizek.Temperatura plinske faze na osnovi ogljika se dvigne nad 2300 °C, tlak pa 350 MPa. Izvaja se v celotni temni škatli in se zlahka meša z nečistočami. Izkoristek je nižji kot pri silicijevem siliciju. Večji kot je premer, nižji je izkoristek.
Druga je počasna rast.Upravljanje metode PVT je zelo počasno, hitrost je približno 0,3-0,5 mm/h, v 7 dneh pa lahko zraste 2 cm. Največja rast je le 3-5 cm, premer kristalnega ingota pa je večinoma 4 in 6 palcev.
Silikonska 72H lahko zraste do višine 2-3 m, s premerom večinoma 6 palcev (15 cm) in 8 palcev (20 cm), nova proizvodna zmogljivost pa je 12 palcev (30 cm).Zato se silicijev karbid pogosto imenuje kristalni ingot, silicij pa postane kristalna palica.
Karbidni silicijev kristalni ingoti
Podlaga
Ko je dolgi kristal končan, vstopi v proizvodni proces substrata.
Po ciljnem rezanju, brušenju (grobo brušenje, fino brušenje), poliranju (mehansko poliranje) in ultra preciznem poliranju (kemično-mehansko poliranje) dobimo silicijev karbidni substrat.
Podlaga igra predvsemvloga fizične podpore, toplotne prevodnosti in prevodnosti.Težava pri obdelavi je v tem, da je silicijev karbidni material visoke trdnosti, hrustljav in kemijsko stabilen. Zato tradicionalne metode obdelave na osnovi silicija niso primerne za substrat silicijevega karbida.
Kakovost rezalnega učinka neposredno vpliva na zmogljivost in učinkovitost izrabe (stroške) izdelkov iz silicijevega karbida, zato mora biti majhen, enakomerne debeline in nizkega rezanja.
Trenutno,4-palčni in 6-palčni rezalniki v glavnem uporabljajo večvrstično rezalno opremo,rezanje silicijevih kristalov na tanke rezine debeline največ 1 mm.
Shematski diagram večvrstičnega rezanja
V prihodnosti se bodo z naraščanjem velikosti karboniziranih silicijevih rezin povečale tudi zahteve glede izrabe materiala, postopoma pa se bodo uporabljale tudi tehnologije, kot sta lasersko rezanje in hladno ločevanje.
Leta 2018 je Infineon prevzel podjetje Siltectra GmbH, ki je razvilo inovativen postopek, znan kot hladno kreking.
V primerjavi s tradicionalnim večžičnim rezanjem izguba 1/4,Postopek hladnega krekinga je izgubil le 1/8 silicijevega karbidnega materiala.
Podaljšek
Ker silicijev karbidni material ne more izdelovati napajalnih naprav neposredno na substratu, so na podaljškovni plasti potrebne različne naprave.
Zato se po končani izdelavi substrata na substratu s postopkom raztezanja vzgoji specifičen tanek film monokristala.
Trenutno se v glavnem uporablja postopek kemičnega nanašanja s plini (CVD).
Oblikovanje
Ko je substrat izdelan, se nadaljuje faza načrtovanja izdelka.
Pri MOSFET-u je poudarek procesa načrtovanja na načrtovanju utora,po eni strani, da se prepreči kršitev patenta(Infineon, Rohm, ST itd. imajo patentno postavitev) in po drugi stranizadostiti proizvodnim in proizvodnim stroškom.
Izdelava rezin
Ko je zasnova izdelka končana, se začne faza izdelave rezin,in postopek je približno podoben postopku pri siliciju, ki ima predvsem naslednjih 5 korakov.
☆1. korak: Vbrizgajte masko
Izdela se plast filma silicijevega oksida (SiO2), nanese se fotorezist, vzorec fotorezista se oblikuje s koraki homogenizacije, osvetlitve, razvijanja itd., slika pa se prenese na oksidni film z jedkanjem.
☆2. korak: Ionska implantacija
Maskirana rezina silicijevega karbida se namesti v ionski implantator, kjer se vbrizgajo aluminijevi ioni, da se tvori dopirajoča cona tipa P, in se žari, da se aktivirajo vsajeni aluminijevi ioni.
Oksidni film se odstrani, dušikovi ioni se vbrizgajo v specifično območje dopirajočega območja P-tipa, da se tvori prevodno območje odtoka in izvora N-tipa, implantirani dušikovi ioni pa se žarijo, da se aktivirajo.
☆ 3. korak: Izdelava mreže
Izdelajte mrežo. Na območju med izvorom in odtokom se s postopkom oksidacije pri visoki temperaturi pripravi plast oksida vrat, plast elektrode vrat pa se nanese, da se tvori struktura za krmiljenje vrat.
☆4. korak: Izdelava pasivizacijskih slojev
Izdelana je pasivacijska plast. Nanesite pasivacijsko plast z dobrimi izolacijskimi lastnostmi, da preprečite preboj med elektrodami.
☆5. korak: Izdelava elektrod za odvod in izvor
Naredite odtok in izvor. Pasivacijska plast je perforirana in kovina je nabrizgana, da se tvorita odtok in izvor.
Vir fotografije: Xinxi Capital
Čeprav je med procesno ravnijo in na osnovi silicija majhna razlika zaradi značilnosti silicijevih karbidnih materialov,Ionsko implantacijo in žarjenje je treba izvajati v okolju z visoko temperaturo(do 1600 °C) bo visoka temperatura vplivala na rešetkasto strukturo samega materiala, težavnost pa bo vplivala tudi na izkoristek.
Poleg tega za MOSFET komponente,Kakovost kisika v vratih neposredno vpliva na mobilnost kanala in zanesljivost vrat, ker v silicijevem karbidnem materialu obstajata dve vrsti atomov silicija in ogljika.
Zato je potrebna posebna metoda rasti z uporabo medija za vrata (druga točka je, da je silicijev karbidna plošča prozorna in je poravnava položaja na stopnji fotolitografije težko silicij).
Ko je izdelava rezine končana, se posamezni čip razreže na gol čip in se ga lahko zapakira glede na namen. Običajni postopek za diskretne naprave je pakiranje TO.
650V CoolSiC™ MOSFET-i v ohišju TO-247
Foto: Infineon
Avtomobilska industrija ima visoke zahteve glede moči in odvajanja toplote, včasih pa je treba neposredno zgraditi mostična vezja (pol most ali polni most ali neposredno pakiranje z diodami).
Zato je pogosto zapakiran neposredno v module ali sisteme. Glede na število čipov, pakiranih v enem modulu, je običajna oblika 1 v 1 (BorgWarner), 6 v 1 (Infineon) itd., nekatera podjetja pa uporabljajo vzporedno shemo z eno cevjo.
Borgwarnerjeva gadija
Podpira dvostransko vodno hlajenje in SiC-MOSFET
Infineon CoolSiC™ MOSFET moduli
Za razliko od silicija,Moduli iz silicijevega karbida delujejo pri višji temperaturi, približno 200 °C.
Tradicionalna temperatura tališča mehkega spajkanja je nizka in ne more izpolniti temperaturnih zahtev. Zato se za silicijev karbidne module pogosto uporablja postopek varjenja s sintranjem srebra pri nizki temperaturi.
Ko je modul dokončan, ga je mogoče uporabiti za sistem delov.
Krmilnik motorja Tesla Model3
Goli čip prihaja iz ST, lastno razvitega paketa in električnega pogonskega sistema
☆02 Status uporabe SiC?
V avtomobilski industriji se napajalne naprave uporabljajo predvsem vDCDC, OBC, motorni inverterji, inverterji za električne klimatske naprave, brezžično polnjenje in drugi deliki zahtevajo hitro pretvorbo AC/DC (DCDC deluje predvsem kot hitro stikalo).
Foto: BorgWarner
V primerjavi z materiali na osnovi silicija imajo materiali SIC višjokritična jakost polja pri preboju plazov(3 × 106 V/cm),boljša toplotna prevodnost(49 W/mK) inširša pasovna vrzel(3,26 eV).
Širša kot je pasovna vrzel, manjši je uhajalni tok in višja je učinkovitost. Boljša kot je toplotna prevodnost, višja je gostota toka. Močnejše kot je kritično polje lavinskega preboja, boljša je napetostna upornost naprave.
Zato lahko na področju vgrajene visoke napetosti MOSFET-i in SBD-ji, pripravljeni iz silicijevega karbida, ki nadomeščajo obstoječo kombinacijo silicijevih IGBT-jev in FRD-jev, učinkovito izboljšajo moč in učinkovitost.zlasti v scenarijih visokofrekvenčnih aplikacij za zmanjšanje izgub pri preklopu.
Trenutno je najverjetneje, da bo dosegel obsežne aplikacije v motornih inverterjih, sledijo pa OBC in DCDC.
Platforma z napetostjo 800 V
Na platformi napetosti 800 V podjetja zaradi visoke frekvence bolj nagibajo k izbiri rešitve SiC-MOSFET. Zato večina trenutnih 800 V elektronskih krmilnikov načrtuje SiC-MOSFET.
Načrtovanje na ravni platforme vključujesodobni E-GMP, GM Otenergy – področje pickupov, Porsche PPE in Tesla EPA.Razen modelov platforme Porsche PPE, ki nimajo eksplicitno SiC-MOSFET-a (prvi model je IGBT na osnovi silicijevega dioksida), druge platforme vozil uporabljajo sheme SiC-MOSFET.
Univerzalna ultra energijska platforma
Načrtovanje modela 800V je več,Blagovna znamka Great Wall Salon Jiagirong, različica Beiqi pole Fox S HI, idealen avto S01 in W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11 je dejal, da bo nosil platformo 800V, poleg BYD-a, Lantuja, GAC-a, Mercedes-Benza, Zero Runa in FAW Red Flaga pa je Volkswagen prav tako dejal, da tehnologijo 800V raziskujejo.
Glede na situacijo z naročili 800 V, ki so jih pridobili dobavitelji prvega reda,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics in Huichuanvsa napovedana naročila 800V električnih pogonov.
Platforma z napetostjo 400 V
Pri napetostni platformi 400 V se SiC-MOSFET osredotoča predvsem na visoko moč in gostoto moči ter visoko učinkovitost.
Na primer, motor Tesla Model 3\Y, ki se trenutno serijsko proizvaja, ima največjo moč motorja BYD Hanhou približno 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW). NIO bo uporabljal tudi SiC-MOSFET izdelke, začenši z ET7 in ET5, ki bosta navedena kasneje. Največja moč je 240 kW (ET5 210 kW).
Poleg tega nekatera podjetja z vidika visoke učinkovitosti raziskujejo tudi izvedljivost pomožnih poplavnih SiC-MOSFET izdelkov.
Čas objave: 8. julij 2023
