V primerjavi z močnostnimi polprevodniki na osnovi silicija imajo močnostni polprevodniki SiC (silicijev karbid) znatne prednosti pri preklopni frekvenci, izgubi, odvajanju toplote, miniaturizaciji itd.
Z obsežno proizvodnjo pretvornikov iz silicijevega karbida s strani Tesle je več podjetij začelo prodajati izdelke iz silicijevega karbida.
SiC je tako "neverjeten", kako za vraga je bil narejen?Kakšne so zdaj aplikacije?Pa poglejmo!
01 ☆ Rojstvo SiC
Tako kot drugi močnostni polprevodniki tudi industrijska veriga SiC-MOSFET vključujepovezava dolgi kristal – substrat – epitaksija – oblikovanje – proizvodnja – pakiranje.
Dolg kristal
Med dolgo kristalno povezavo, za razliko od priprave metode Tira, ki jo uporablja monokristalni silicij, silicijev karbid v glavnem sprejme fizično metodo transporta plina (PVT, znana tudi kot izboljšana metoda sublimacije Lly ali semenskega kristala), visokotemperaturno metodo kemičnega nanašanja plina (HTCVD ) dodatki.
☆ Osnovni korak
1. Ogljikova trdna surovina;
2. Po segrevanju karbidna trdna snov postane plin;
3. Plin se premakne na površino zarodnega kristala;
4. Plin zraste na površini zarodnega kristala v kristal.
Vir slike: »Tehnična točka za razstavljanje PVT rastnega silicijevega karbida«
Drugačna izdelava je povzročila dve veliki slabosti v primerjavi s silikonsko osnovo:
Prvič, pridelava je težka in donos nizek.Temperatura plinske faze na osnovi ogljika naraste nad 2300 °C, tlak pa je 350MPa.Celotna temna škatla se izvaja in jo je enostavno vmešati v nečistoče.Izkoristek je nižji od silicijeve osnove.Večji kot je premer, manjši je donos.
Drugi je počasna rast.Upravljanje metode PVT je zelo počasno, hitrost je približno 0,3-0,5 mm/h in lahko zraste za 2 cm v 7 dneh.Največ lahko zraste le 3-5 cm, premer kristalnega ingota pa je večinoma 4 in 6 palcev.
72H na osnovi silicija lahko zraste do višine 2-3 m, s premeri večinoma 6 palcev in 8-palčno novo proizvodno zmogljivostjo za 12 palcev.Zato se silicijev karbid pogosto imenuje kristalni ingot, silicij pa postane kristalna palica.
Karbidni silicijevi kristalni ingoti
Substrat
Ko je dolgi kristal dokončan, vstopi v proizvodni proces substrata.
Po ciljnem rezanju, brušenju (grobo brušenje, fino brušenje), poliranju (mehansko poliranje), ultra-natančnem poliranju (kemično mehansko poliranje) dobimo substrat iz silicijevega karbida.
Podlaga igra predvsemvloga fizične opore, toplotna prevodnost in prevodnost.Težava pri obdelavi je v tem, da je material iz silicijevega karbida visok, hrustljav in stabilen v kemičnih lastnostih.Zato tradicionalne metode obdelave na osnovi silicija niso primerne za substrat iz silicijevega karbida.
Kakovost rezalnega učinka neposredno vpliva na zmogljivost in učinkovitost uporabe (ceno) izdelkov iz silicijevega karbida, zato morajo biti majhni, enakomerne debeline in nizkega rezanja.
Trenutno,4-palčni in 6-palčni večinoma uporabljata opremo za rezanje z več linijami,rezanje kristalov silicija na tanke rezine z debelino največ 1 mm.
Shematski diagram večvrstičnega rezanja
V prihodnosti se bodo s povečanjem velikosti karboniziranih silicijevih rezin povečale zahteve glede uporabe materiala, postopoma pa se bodo uporabljale tudi tehnologije, kot sta lasersko rezanje in hladno ločevanje.
Leta 2018 je Infineon kupil Siltectra GmbH, ki je razvila inovativen postopek, znan kot hladno krekiranje.
V primerjavi s tradicionalnim večžičnim rezanjem izguba 1/4,proces hladnega krekiranja je izgubil le 1/8 materiala silicijevega karbida.
Razširitev
Ker material iz silicijevega karbida ne more narediti napajalnih naprav neposredno na substratu, so potrebne različne naprave na podaljšku.
Zato se po končani proizvodnji substrata na substratu s postopkom raztezanja goji specifičen monokristalni tanek film.
Trenutno se v glavnem uporablja postopek kemičnega plinskega nanašanja (CVD).
Oblikovanje
Ko je podlaga izdelana, preide v fazo oblikovanja izdelka.
Za MOSFET je poudarek procesa oblikovanja oblikovanje utora,po eni strani, da bi se izognili kršitvi patenta(Infineon, Rohm, ST itd. imajo patentno postavitev) in na drugi straniizpolnitev proizvodnih stroškov in stroškov izdelave.
Izdelava rezin
Ko je zasnova izdelka končana, vstopi v fazo izdelave rezin,in postopek je približno podoben postopku silicija, ki ima v glavnem naslednjih 5 korakov.
☆1. korak: Vbrizgajte masko
Izdela se plast filma silicijevega oksida (SiO2), fotorezist je prevlečen, vzorec fotorezista se oblikuje skozi korake homogenizacije, osvetlitve, razvijanja itd., figura pa se s postopkom jedkanja prenese na oksidni film.
☆2. korak: Ionska implantacija
Zamaskirana rezina iz silicijevega karbida se postavi v ionski vsadnik, kjer se vbrizgajo aluminijevi ioni, da nastane dopirna cona tipa P, in se žari, da se aktivirajo implantirani aluminijevi ioni.
Oksidni film se odstrani, dušikovi ioni se vbrizgajo v določeno območje dopirnega območja P-tipa, da se tvori prevodno območje N-tipa odtoka in izvora, implantirani dušikovi ioni pa se žarijo, da se aktivirajo.
☆3. korak: Naredite mrežo
Naredite mrežo.V območju med virom in odtokom se plast oksida vrat pripravi s postopkom oksidacije pri visoki temperaturi, plast elektrode vrat pa se odloži, da se oblikuje struktura za nadzor vrat.
☆4. korak: Izdelava pasivacijskih plasti
Izdelana je pasivna plast.Nanesite pasivni sloj z dobrimi izolacijskimi lastnostmi, da preprečite razpad med elektrodami.
☆Korak 5: Naredite elektrode odtok-izvor
Naredite odtok in vir.Pasivacijski sloj je perforiran in kovina je napršena, da tvori odvod in vir.
Vir fotografije: Xinxi Capital
Čeprav je zaradi značilnosti materialov iz silicijevega karbida majhna razlika med procesno ravnjo in na osnovi silicija,ionsko implantacijo in žarjenje je treba izvajati v okolju z visoko temperaturo(do 1600 °C), bo visoka temperatura vplivala na mrežno strukturo samega materiala, težavnost pa bo vplivala tudi na izkoristek.
Poleg tega za komponente MOSFET,kakovost kisikovih vrat neposredno vpliva na mobilnost kanala in zanesljivost vrat, ker sta v materialu silicijevega karbida dve vrsti silicijevih in ogljikovih atomov.
Zato je potrebna posebna metoda rasti medija vrat (še ena točka je, da je plošča iz silicijevega karbida prozorna in je poravnava položaja na stopnji fotolitografije težko silicij).
Po končani izdelavi rezin se posamezen čip razreže v goli čip in se lahko pakira glede na namen.Skupni postopek za diskretne naprave je paket TO.
MOSFET-ji 650 V CoolSiC™ v ohišju TO-247
Foto: Infineon
Avtomobilsko področje ima visoke zahteve glede moči in odvajanja toplote, včasih pa je treba neposredno zgraditi premostitvena vezja (polovični most ali polni most ali neposredno pakirana 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 enocevno vzporedno shemo.
Borgwarner Viper
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.
Temperatura tradicionalne mehke spajke, temperatura tališča je nizka, ne more izpolniti temperaturnih zahtev.Zato moduli iz silicijevega karbida pogosto uporabljajo postopek varjenja pri nizkotemperaturnem sintranju srebra.
Ko je modul končan, ga je mogoče uporabiti v sistemu delov.
Motorni krmilnik Tesla Model3
Goli čip prihaja iz ST, samorazvitega paketa in električnega pogonskega sistema
☆02 Stanje uporabe SiC?
Na avtomobilskem področju se električne naprave uporabljajo predvsem vDCDC, OBC, motorni inverterji, električni klimatski inverterji, 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 višjekritična poljska jakost preboja plazu(3×106V/cm),boljša toplotna prevodnost(49W/mK) inširša pasovna vrzel(3,26 eV).
Čim širša je vrzel, tem manjši je uhajajoči tok in večja je učinkovitost.Boljša kot je toplotna prevodnost, večja je gostota toka.Čim močnejše je polje kritičnega lavinskega preboja, lahko izboljšamo napetostno odpornost naprave.
Zato lahko na področju visoke napetosti na vozilu MOSFET-ji in SBD, izdelani iz materialov iz silicijevega karbida, ki nadomestijo obstoječo kombinacijo IGBT in FRD na osnovi silicija, učinkovito izboljšajo moč in učinkovitost,zlasti v visokofrekvenčnih scenarijih uporabe za zmanjšanje preklopnih izgub.
Trenutno je najverjetneje, da bo dosegel obsežne aplikacije v motornih pretvornikih, ki jim sledita OBC in DCDC.
Platforma napetosti 800V
Pri napetostni platformi 800 V so zaradi prednosti visoke frekvence podjetja bolj nagnjena k izbiri rešitve SiC-MOSFET.Zato je večina trenutnega 800V elektronskega nadzora načrtovanja SiC-MOSFET.
Načrtovanje na ravni platforme vključujesodobni E-GMP, GM Otenergy – pickup field, Porsche PPE in Tesla EPA.Razen modelov platforme Porsche PPE, ki izrecno nimajo SiC-MOSFET (prvi model je IGBT na osnovi silicijevega dioksida), druge platforme vozil sprejmejo sheme SiC-MOSFET.
Univerzalna Ultra energetska platforma
Načrtovanje modela 800V je več,znamka Great Wall Salon Jiagirong, različica Beiqi pole Fox S HI, idealna vozila S01 in W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 je dejal, da bo nosil 800V platformo, poleg BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen je tudi dejal 800V tehnologijo v raziskavah.
Iz situacije naročil 800 V, ki so jih pridobili dobavitelji Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics in Huichuanvsa napovedana naročila električnega pogona 800V.
Platforma napetosti 400 V
V napetostni platformi 400 V je SiC-MOSFET predvsem pri upoštevanju visoke moči in gostote moči ter visoke učinkovitosti.
Kot je na primer motor Tesla Model 3\Y, ki se zdaj množično proizvaja, največja moč motorja BYD Hanhou je približno 200 Kw (Tesla 202 Kw, 194 Kw, 220 Kw, BYD 180 Kw), NIO bo uporabljal tudi izdelke SiC-MOSFET, začenši z ET7 in ET5, ki bo naveden kasneje.Največja moč je 240Kw (ET5 210Kw).
Poleg tega z vidika visoke učinkovitosti nekatera podjetja raziskujejo tudi izvedljivost pomožnih izdelkov SiC-MOSFET s poplavljanjem.
Čas objave: 8. julij 2023