В сравнение с базираните на силиций силови полупроводници, SiC (силициев карбид) силови полупроводници имат значителни предимства в честотата на превключване, загубата, разсейването на топлината, миниатюризацията и т.н.
С широкомащабното производство на инвертори от силициев карбид от Tesla, повече компании също започнаха да доставят продукти от силициев карбид.
SiC е толкова „удивителен“, как, за бога, е направен?Какви са приложенията сега?Да видим!
01 ☆ Раждането на SiC
Подобно на други силови полупроводници, индустриалната верига SiC-MOSFET включвадългата връзка кристал – субстрат – епитаксия – дизайн – производство – опаковка.
Дълъг кристал
По време на дългата кристална връзка, за разлика от подготовката на метода Tira, използван от монокристален силиций, силициевият карбид използва главно физически метод за транспортиране на газ (PVT, известен също като подобрен Lly или метод на сублимация на зародишни кристали), метод на химическо газово отлагане при висока температура (HTCVD ) добавки.
☆ Основна стъпка
1. Въглеродна твърда суровина;
2. След нагряване твърдият карбид става газ;
3. Газът се придвижва към повърхността на зародишния кристал;
4. Газът расте на повърхността на зародишния кристал в кристал.
Източник на изображението: „Техническа точка за разглобяване на PVT растежен силициев карбид“
Различната изработка е причинила два основни недостатъка в сравнение със силиконовата основа:
Първо, производството е трудно и добивът е нисък.Температурата на въглеродната газова фаза нараства над 2300 ° C, а налягането е 350MPa.Цялата тъмна кутия се извършва и лесно се смесва с примеси.Добивът е по-нисък от силиконовата 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 mm/h и може да нарасне с 2 cm за 7 дни.Максимумът може да нарасне само 3-5 см, а диаметърът на кристалния слитък е предимно 4 инча и 6 инча.
Базираният на силиций 72H може да расте до височина от 2-3 м, с диаметри предимно 6 инча и 8-инчов нов производствен капацитет за 12 инча.Следователно силициевият карбид често се нарича кристален слитък, а силицият се превръща в кристална пръчка.
Слитъци от силициев кристал от карбид
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), свръхпрецизно полиране (химическо механично полиране), се получава субстратът от силициев карбид.
Подложката основно играеролята на физическата опора, топлопроводимостта и проводимостта.Трудността при обработката е, че материалът от силициев карбид е висок, хрупкав и стабилен по химични свойства.Следователно традиционните методи за обработка, базирани на силиций, не са подходящи за субстрат от силициев карбид.
Качеството на ефекта на рязане пряко влияе върху производителността и ефективността на използване (цената) на продуктите от силициев карбид, така че се изисква той да бъде малък, еднаква дебелина и ниско рязане.
В момента,4-инчовият и 6-инчовият използват основно многоредово оборудване за рязане,рязане на силициеви кристали на тънки резени с дебелина не повече от 1 mm.
Схематична диаграма на многоредово рязане
В бъдеще, с увеличаването на размера на карбонизираните силициеви пластини, увеличаването на изискванията за използване на материала ще се увеличи и постепенно ще се прилагат технологии като лазерно нарязване и студено разделяне.
През 2018 г. Infineon придоби Siltectra GmbH, която разработи иновативен процес, известен като студен крекинг.
В сравнение с традиционния процес на многожично рязане загуба от 1/4,процесът на студено крекинг губи само 1/8 от материала силициев карбид.
Разширение
Тъй като материалът от силициев карбид не може да направи захранващи устройства директно върху субстрата, са необходими различни устройства на удължителния слой.
Следователно, след завършване на производството на субстрата, специфичен монокристален тънък филм се отглежда върху субстрата чрез процеса на удължаване.
Понастоящем се използва основно методът на химическо газово отлагане (CVD).
Дизайн
След като субстратът е направен, той навлиза в етапа на проектиране на продукта.
За MOSFET фокусът на процеса на проектиране е дизайнът на жлеба,от една страна, за да се избегне нарушаване на патенти(Infineon, Rohm, ST и т.н. имат патентно оформление), а от друга странаотговарят на технологичността и производствените разходи.
Производство на вафли
След завършване на дизайна на продукта, той навлиза в етапа на производство на вафли,и процесът е приблизително подобен на този на силиция, който основно има следните 5 стъпки.
☆Стъпка 1: Инжектирайте маската
Прави се слой от филм от силициев оксид (SiO2), фоторезистът се покрива, моделът на фоторезиста се формира чрез стъпките на хомогенизиране, експониране, проявяване и т.н., а фигурата се прехвърля върху оксидния филм чрез процеса на ецване.
☆Стъпка 2: Йонна имплантация
Маскираната пластина от силициев карбид се поставя в йонен имплантатор, където алуминиевите йони се инжектират, за да образуват P-тип допинг зона, и се отгряват, за да активират имплантираните алуминиеви йони.
Оксидният филм се отстранява, азотните йони се инжектират в специфична област на P-тип допинг областта, за да се образува N-тип проводяща област на дренажа и източника, и имплантираните азотни йони се отгряват, за да ги активират.
☆Стъпка 3: Направете решетката
Направете решетката.В зоната между източника и изтичането, оксидният слой на затвора се приготвя чрез процес на високотемпературно окисление, а слоят на затворния електрод се отлага, за да образува структурата за управление на затвора.
☆Стъпка 4: Създаване на пасивиращи слоеве
Прави се пасивиращ слой.Нанесете пасивиращ слой с добри изолационни характеристики, за да предотвратите разрушаване между електродите.
☆Стъпка 5: Направете електроди дрейн-източник
Направете дренаж и източник.Пасивиращият слой е перфориран и металът е напръскан, за да образува дренаж и източник.
Източник на снимката: Xinxi Capital
Въпреки че има малка разлика между нивото на процеса и основата на силиций, поради характеристиките на материалите от силициев карбид,йонната имплантация и отгряването трябва да се извършват в среда с висока температура(до 1600 ° C), високата температура ще повлияе на решетъчната структура на самия материал и трудността ще повлияе и на добива.
В допълнение, за MOSFET компоненти,качеството на гейт кислорода пряко влияе върху мобилността на канала и надеждността на гейта, защото има два вида силициеви и въглеродни атоми в материала силициев карбид.
Следователно е необходим специален метод за растеж на средата на вратата (друг момент е, че листът от силициев карбид е прозрачен и подравняването на позицията на етапа на фотолитографията е трудно за силиций).
След завършване на производството на вафла, отделният чип се нарязва на чист чип и може да бъде опакован според предназначението.Общият процес за дискретни устройства е TO пакет.
650V CoolSiC™ MOSFET в пакет TO-247
Снимка: Infineon
В областта на автомобилостроенето има високи изисквания за мощност и разсейване на топлината и понякога е необходимо директно изграждане на мостови вериги (половин мост или пълен мост, или директно пакетирани с диоди).
Поради това често се пакетира директно в модули или системи.Според броя на чиповете, опаковани в един модул, общата форма е 1 в 1 (BorgWarner), 6 в 1 (Infineon) и т.н., а някои компании използват паралелна схема с една тръба.
Borgwarner Viper
Поддържа двустранно водно охлаждане и SiC-MOSFET
Infineon CoolSiC™ MOSFET модули
За разлика от силиция,модулите от силициев карбид работят при по-висока температура, около 200 ° C.
Традиционната мека температура на спойка, температурата на топене е ниска, не може да отговори на температурните изисквания.Поради това модулите от силициев карбид често използват процес на заваряване при нискотемпературно синтероване на сребро.
След като модулът е завършен, той може да се приложи към системата от части.
Контролер на двигателя Tesla Model3
Голият чип идва от ST, самостоятелно разработен пакет и електрическа задвижваща система
☆02 Състояние на приложението на SiC?
В автомобилната индустрия захранващите устройства се използват главно вDCDC, OBC, моторни инвертори, електрически климатични инвертори, безжично зареждане и други частикоито изискват AC/DC бързо преобразуване (DCDC действа главно като бърз превключвател).
Снимка: BorgWarner
В сравнение с материалите на основата на силиций, SIC материалите имат по-високинапрегнатост на полето при критичен лавинен пробив(3×106V/cm),по-добра топлопроводимост(49W/mK) ипо-широка лента(3,26 eV).
Колкото по-широка е забранената лента, 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 лавинно пробивно поле, толкова устойчивостта на напрежението на устройството може да бъде подобрена.
Следователно, в областта на бордовото високо напрежение, MOSFET и SBD, подготвени от материали от силициев карбид, за да заменят съществуващата комбинация от IGBT и FRD на базата на силиций, могат ефективно да подобрят мощността и ефективността,особено при сценарии с високочестотно приложение, за да се намалят загубите при превключване.
Понастоящем е най-вероятно да се постигнат широкомащабни приложения в моторни инвертори, следвани от OBC и DCDC.
Платформа с напрежение 800V
В платформата за напрежение 800V предимството на високата честота прави предприятията по-склонни да изберат SiC-MOSFET решение.Ето защо, повечето от текущата 800V електронно управление планиране SiC-MOSFET.
Планирането на ниво платформа включвамодерен E-GMP, GM Otenergy – pickup field, Porsche PPE и Tesla EPA.С изключение на моделите на платформата на Porsche PPE, които не носят изрично SiC-MOSFET (първият модел е базиран на силициев диоксид IGBT), други платформи на превозни средства приемат схеми на SiC-MOSFET.
Универсална ултра енергийна платформа
Планирането на модел 800V е повече,марката Great Wall Salon Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI версия, идеален автомобил S01 и W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 каза, че ще носи 800V платформа, в допълнение към BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen също каза 800V технология в изследванията.
От ситуацията с 800V поръчки, получени от Tier1 доставчици,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics и Huichuanвсички обявени поръчки за електрозадвижване 800V.
Платформа с напрежение 400V
В платформата за напрежение 400V, SiC-MOSFET се отнася главно за висока мощност и плътност на мощността и висока ефективност.
Като например двигателя на Tesla Model 3\Y, който вече се произвежда масово, пиковата мощност на двигателя BYD Hanhou е около 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO също ще използва SiC-MOSFET продукти, започвайки от ET7 и ET5, които ще бъдат изброени по-късно.Пиковата мощност е 240Kw (ET5 210Kw).
В допълнение, от гледна точка на висока ефективност, някои предприятия също проучват осъществимостта на спомагателни SiC-MOSFET продукти за наводняване.
Време на публикуване: 8 юли 2023 г