В сравнение със силициевите силови полупроводници, силовият карбид (SiC) има значителни предимства по отношение на честотата на превключване, загубите, разсейването на топлината, миниатюризацията и др.
С мащабното производство на инвертори от силициев карбид от Tesla, все повече компании също започнаха да се сдобиват с продукти от силициев карбид.
SiC е толкова „невероятен“, как, за бога, е направен? Какви са приложенията му сега? Да видим!
01 ☆ Раждането на SiC
Подобно на други силови полупроводници, индустриалната верига SiC-MOSFET включваВръзката дълъг кристал – субстрат – епитаксия – дизайн – производство – опаковка.
Дълъг кристал
По време на дългата кристална връзка, за разлика от метода Tira, използван при монокристалния силиций, силициевият карбид използва главно метод за физическо транспортиране на газ (PVT, известен също като подобрен Lly или метод за сублимация на кристали), допълнен с метод за високотемпературно химическо отлагане на газ (HTCUD).
☆ Основна стъпка
1. Въглеродна твърда суровина;
2. След нагряване, твърдото карбидно вещество се превръща в газ;
3. Газът се движи към повърхността на зародишния кристал;
4. Газът расте по повърхността на зародишния кристал, превръщайки се в кристал.
Източник на изображението: „Техническа точка за разглобяване на силициев карбид за растеж на PVT“
Различната изработка е причинила два основни недостатъка в сравнение със силиконовата основа:
Първо, производството е трудно и добивът е нисък.Температурата на газовата фаза на въглеродна основа нараства над 2300°C, а налягането е 350MPa. Цялата тъмна кутия се извършва и е лесно да се смеси с примеси. Добивът е по-нисък от този на силициевата основа. Колкото по-голям е диаметърът, толкова по-нисък е добивът.
Второто е бавен растеж.Управлението на PVT метода е много бавно, скоростта е около 0,3-0,5 мм/ч и може да нарасне с 2 см за 7 дни. Максималният растеж е само 3-5 см, а диаметърът на кристалния слитък е предимно 4 инча и 6 инча.
Силициевият 72H може да достигне височина от 2-3 м, с диаметър предимно 6 инча и 8 инча, с нов производствен капацитет от 12 инча.Следователно, силициевият карбид често се нарича кристален слитък, а силицийът се превръща в кристална пръчка.
Карбидни силициеви кристални блокове
Субстрат
След като дългият кристал е завършен, той влиза в производствения процес на субстрата.
След целенасочено рязане, шлайфане (грубо шлайфане, фино шлайфане), полиране (механично полиране), ултрапрецизно полиране (химико-механично полиране) се получава силициево-карбидна основа.
Субстратът играе основноролята на физическата опора, топлопроводимостта и проводимостта.Трудността при обработката е, че силициево-карбидният материал е висококачествен, хрупкав и стабилен по отношение на химичните свойства. Следователно, традиционните методи за обработка на основата на силиций не са подходящи за силициево-карбидни субстрати.
Качеството на режещия ефект пряко влияе върху производителността и ефективността на използване (цената) на силициево-карбидните продукти, така че е необходимо той да бъде малък, с еднаква дебелина и с ниско рязане.
В момента,4-инчовите и 6-инчовите машини използват главно многоредово оборудване за рязане,рязане на силициеви кристали на тънки резени с дебелина не повече от 1 мм.
Схематична диаграма на многолинейно рязане
В бъдеще, с увеличаването на размера на карбонизираните силициеви пластини, ще се увеличат и изискванията за използване на материалите, а технологии като лазерно рязане и студено разделяне също постепенно ще бъдат прилагани.
През 2018 г. Infineon придоби Siltectra GmbH, която разработи иновативен процес, известен като студено крекинг.
В сравнение с традиционния процес на многожилно рязане, загубата е 1/4,Процесът на студено крекинг е загубил само 1/8 от силициево-карбидния материал.
Разширение
Тъй като силициево-карбидният материал не може да създава захранващи устройства директно върху субстрата, върху удължителния слой са необходими различни устройства.
Следователно, след като производството на субстрата е завършено, върху него се отглежда специфичен тънък филм от монокристали чрез процеса на удължаване.
В момента се използва главно методът на химическо газово отлагане (CVD).
Дизайн
След като субстратът е направен, той навлиза в етапа на проектиране на продукта.
При MOSFET, фокусът на процеса на проектиране е върху дизайна на жлеба,от една страна, за да се избегне нарушаване на патентни права(Infineon, Rohm, ST и др. имат патентно оформление), а от друга страна, за даотговарят на производствените разходи и разходите за производство.
Производство на пластини
След завършване на проектирането на продукта, той навлиза в етапа на производство на пластини,и процесът е приблизително подобен на този на силиция, който основно има следните 5 стъпки.
☆Стъпка 1: Инжектирайте маската
Изработва се слой от силициев оксид (SiO2), нанася се фоторезист, чрез стъпките на хомогенизиране, експозиция, проявяване и др. се формира фоторезистният модел и фигурата се пренася върху оксидния филм чрез процеса на ецване.
☆Стъпка 2: Йонна имплантация
Маскираната силициево-карбидна пластина се поставя в йонен имплантатор, където се инжектират алуминиеви йони, за да се образува P-тип допираща зона, и се отгрява, за да се активират имплантираните алуминиеви йони.
Оксидният филм се отстранява, азотните йони се инжектират в специфична област на P-тип допиращата област, за да се образува N-тип проводима област на дрена и сорс, и имплантираните азотни йони се отгряват, за да се активират.
☆Стъпка 3: Направете решетката
Направете решетката. В областта между източника и дрейна, слоят от гейтов оксид се подготвя чрез процес на високотемпературно окисление и слоят от гейтовия електрод се отлага, за да се образува структурата за управление на гейта.
☆Стъпка 4: Нанасяне на пасивационни слоеве
Нанася се пасивационен слой. Нанесете пасивационен слой с добри изолационни характеристики, за да предотвратите междуелектродно разрушаване.
☆Стъпка 5: Направете електроди за изтичане-източник
Направете дрейна и сорс. Пасивационният слой се перфорира и металът се напръсква чрез разпрашване, за да се образуват дрейна и сорс.
Източник на снимката: Xinxi Capital
Въпреки че има малка разлика между технологичното ниво и силициевите, поради характеристиките на силициево-карбидните материали,Йонната имплантация и отгряване трябва да се извършват при висока температура(до 1600°C), високата температура ще повлияе на решетъчната структура на самия материал, а трудността ще повлияе и на добива.
В допълнение, за MOSFET компонентите,Качеството на кислорода в затвора пряко влияе върху мобилността на канала и надеждността на затвора., защото в силициево-карбидния материал има два вида силициеви и въглеродни атоми.
Следователно е необходим специален метод за растеж в средата на затвора (друг момент е, че силициево-карбидният лист е прозрачен и подравняването на позицията на етапа на фотолитография е трудно за силиконизиране).
След като производството на пластината е завършено, отделният чип се нарязва на гол чип и може да бъде опакован според предназначението си. Обичайният процес за дискретни устройства е TO опаковане.
650V CoolSiC™ MOSFET транзистори в корпус TO-247
Снимка: Инфинеон
Автомобилната индустрия има високи изисквания за мощност и разсейване на топлината и понякога е необходимо директно изграждане на мостови схеми (полумостови или пълни мостови, или директно пакетирани с диоди).
Поради това, често се пакетира директно в модули или системи. Според броя на чиповете, пакетирани в един модул, често срещаната форма е 1 в 1 (BorgWarner), 6 в 1 (Infineon) и др., а някои компании използват паралелна схема с една тръба.
Боргуорнер Випър
Поддържа двустранно водно охлаждане и SiC-MOSFET
Infineon CoolSiC™ MOSFET модули
За разлика от силиция,Силициево-карбидните модули работят при по-висока температура, около 200°C.
Традиционната температура на топене на мекото спояване е ниска и не може да отговори на температурните изисквания. Поради това, силициево-карбидните модули често използват нискотемпературно заваряване чрез синтероване на сребро.
След като модулът е завършен, той може да бъде приложен към системата от части.
Контролер на двигателя на Tesla Model3
Голият чип идва от ST, самостоятелно разработена опаковка и електрическа задвижваща система
☆02 Статус на приложение на SiC?
В автомобилната област, захранващите устройства се използват главно вDCDC, OBC, инвертори за мотори, инвертори за електрически климатици, безжично зареждане и други частикоито изискват бързо преобразуване на AC/DC (DCDC действа главно като бърз превключвател).
Снимка: БоргУорнър
В сравнение с материалите на силициева основа, SIC материалите имат по-високакритична сила на полето за лавинов пробив(3×106V/см),по-добра топлопроводимост(49W/mK) ипо-широка забранена зона(3.26eV).
Колкото по-широка е забранената зона, толкова по-малък е токът на утечка и толкова по-висока е ефективността. Колкото по-добра е топлопроводимостта, толкова по-висока е плътността на тока. Колкото по-силно е критичното поле на лавинен пробив, толкова по-добра е съпротивлението на напрежението на устройството.
Следователно, в областта на бордовите високоволтови устройства, MOSFET и SBD, изработени от силициево-карбидни материали, за да заменят съществуващата комбинация от силициеви IGBT и FRD, могат ефективно да подобрят мощността и ефективността.особено във високочестотни приложения, за да се намалят загубите при превключване.
В момента е най-вероятно да се постигнат мащабни приложения в моторните инвертори, следвани от OBC и DCDC.
Платформа за напрежение 800V
В платформата за напрежение 800V, предимството на високата честота прави предприятията по-склонни да изберат SiC-MOSFET решение. Поради това, повечето от настоящите 800V електронни контролери планират SiC-MOSFET.
Планирането на ниво платформа включвамодерен E-GMP, GM Otenergy – пикапно поле, Porsche PPE и Tesla EPA.С изключение на моделите на платформата Porsche PPE, които не носят изрично SiC-MOSFET (първият модел е IGBT на базата на силициев диоксид), други автомобилни платформи използват SiC-MOSFET схеми.
Универсална ултра енергийна платформа
Планирането на модел 800V е повече,Марката Jiagirong на Great Wall Salon, версия Beiqi pole Fox S HI, идеален автомобил S01 и W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11 заяви, че ще използва платформа 800V, в допълнение към BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen също заяви, че технологията 800V е в процес на проучване.
От ситуацията с поръчки за 800V, получени от доставчици от първи ред,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics и Huichuanвсички обявени поръчки за електрическо задвижване 800V.
Платформа за напрежение 400V
В платформата за напрежение 400V, SiC-MOSFET е основно с оглед на висока мощност и плътност на мощността и висока ефективност.
Например, двигателят на Tesla Model 3\Y, който се произвежда масово в момента, има пикова мощност на двигателя BYD Hanhou около 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW). NIO ще използва и SiC-MOSFET продукти, започвайки от ET7 и ET5, които ще бъдат изброени по-късно. Пиковата мощност е 240 kW (ET5 210 kW).
Освен това, от гледна точка на високата ефективност, някои предприятия също проучват осъществимостта на спомагателни SiC-MOSFET продукти с наводняване.
Време на публикуване: 08 юли 2023 г.
