Порівняно з кремнієвими силовими напівпровідниками, карбід-кремнієві силові напівпровідники SiC (карбід кремнію) мають значні переваги в частоті перемикання, втратах, тепловіддачі, мініатюризації тощо.
Зі масштабним виробництвом інверторів з карбіду кремнію компанією Tesla, все більше компаній також почали купувати продукцію з карбіду кремнію.
Карбід кремнію такий «дивовижний», як же його взагалі зробили? Які зараз є застосування? Подивимося!
01 ☆ Народження карбіду кремнію
Як і інші силові напівпровідники, промисловий ланцюг SiC-MOSFET включаєЗв'язок довгий кристал – підкладка – епітаксія – проектування – виробництво – упаковка.
Довгий кристал
Під час довгокристалічного зв'язку, на відміну від методу Tira, що використовується для монокристалічного кремнію, карбід кремнію переважно використовує метод фізичного транспортування газу (PVT, також відомий як покращений метод Lly або сублімації кристалів зародка), доповнюючи його методом високотемпературного хімічного осадження газу (HTTVD).
☆ Основний крок
1. Вуглецева тверда сировина;
2. Після нагрівання тверда речовина карбіду перетворюється на газ;
3. Газ рухається до поверхні зародкового кристала;
4. Газ наростає на поверхні зародкового кристала, утворюючи кристал.
Джерело зображення: «Технічний момент для розбирання карбіду кремнію, отриманого методом PVT-вирощування»
Різне виготовлення спричинило два основні недоліки порівняно з кремнієвою основою:
По-перше, виробництво складне, а врожайність низька.Температура газової фази на основі вуглецю зростає вище 2300 °C, а тиск становить 350 МПа. Виконується вся темна коробка, і вона легко змішується з домішками. Вихід нижчий, ніж кремнієва основа. Чим більший діаметр, тим нижчий вихід.
Друге – повільне зростання.Керування методом PVT дуже повільне, швидкість становить близько 0,3-0,5 мм/год, і він може вирости на 2 см за 7 днів. Максимальний зростання може становити лише 3-5 см, а діаметр кристалічного злитка здебільшого становить 4 та 6 дюймів.
Кремнієвий 72H може виростати до висоти 2-3 м, з діаметром переважно 6 дюймів та 8 дюймів, а нова виробнича ємність - 12 дюймів.Тому карбід кремнію часто називають кристалічним злитком, а кремній перетворюється на кристалічну паличку.
Злитки кристалів твердого кремнію
Субстрат
Після завершення формування довгого кристала він вступає у процес виробництва підкладки.
Після цілеспрямованого різання, шліфування (грубого шліфування, тонкого шліфування), полірування (механічного полірування), надточного полірування (хімічно-механічного полірування) отримують карбідкремнієву підкладку.
Субстрат в основному граєроль фізичної опори, теплопровідності та провідності.Складність обробки полягає в тому, що карбід кремнію є високоміцним, хрустким та стабільним за хімічними властивостями. Тому традиційні методи обробки на основі кремнію не підходять для карбід-кремнієвої підкладки.
Якість різання безпосередньо впливає на продуктивність та ефективність використання (вартість) виробів з карбіду кремнію, тому він повинен бути невеликим, рівномірної товщини та з низьким рівнем різання.
Наразі,4-дюймові та 6-дюймові в основному використовують багаторядкове різальне обладнання,нарізання кристалів кремнію на тонкі скибочки товщиною не більше 1 мм.
Схема багатолінійного різання
У майбутньому, зі збільшенням розміру карбонізованих кремнієвих пластин, зростатимуть вимоги до використання матеріалів, а також поступово застосовуватимуться такі технології, як лазерне різання та холодне розділення.
У 2018 році Infineon придбала Siltectra GmbH, яка розробила інноваційний процес, відомий як холодний крекінг.
Порівняно з традиційним процесом багатодротового різання, втрати 1/4,Процес холодного розтріскування втратив лише 1/8 матеріалу карбіду кремнію.
Розширення
Оскільки матеріал карбіду кремнію не може створювати силові пристрої безпосередньо на підкладці, на розширювальному шарі потрібні різні пристрої.
Таким чином, після завершення виробництва підкладки, на підкладці шляхом процесу розтягування вирощується специфічна тонка плівка монокристалів.
Наразі в основному використовується процес хімічного газового осадження (CVD).
Дизайн
Після виготовлення підкладки переходить до етапу проектування виробу.
Для MOSFET у процесі проектування основна увага приділяється проектуванню паза,з одного боку, щоб уникнути порушення патентних прав(Infineon, Rohm, ST тощо мають патентну макетку), а з іншого боку,відповідати технологічності та виробничим витратам.
Виготовлення пластин
Після завершення проектування виробу він переходить на етап виробництва пластин,і процес приблизно схожий на процес отримання кремнію, який в основному складається з наступних 5 кроків.
☆Крок 1: Введіть маску
Виготовляється шар плівки оксиду кремнію (SiO2), покривається фоторезистом, формується малюнок фоторезисту шляхом гомогенізації, експонування, проявлення тощо, а потім малюнок переноситься на оксидну плівку за допомогою процесу травлення.
☆Крок 2: Іонна імплантація
Замаскована пластина карбіду кремнію поміщається в іонний імплантатор, куди вводяться іони алюмінію для формування зони легування P-типу, та відпалюється для активації імплантованих іонів алюмінію.
Оксидну плівку видаляють, іони азоту вводять у певну область легуючої області P-типу для формування провідної області N-типу стоку та витоку, а імплантовані іони азоту відпалюють для їх активації.
☆Крок 3: Створення сітки
Зробіть сітку. В області між витоком і стоком шар оксиду затвора готується шляхом високотемпературного процесу окислення, а шар електрода затвора осаджується для формування структури керування затвором.
☆Крок 4: Нанесення пасиваційних шарів
Створено пасиваційний шар. Нанесіть пасиваційний шар з хорошими ізоляційними характеристиками, щоб запобігти міжелектродному пробою.
☆Крок 5: Виготовлення електродів стік-витік
Зробіть стік та витік. Пасиваційний шар перфорують, а метал напилюють, утворюючи стік та витік.
Джерело фото: Xinxi Capital
Хоча між рівнем процесу та кремнієвими матеріалами існує невелика різниця через характеристики карбідкремнієвих матеріалів,Іонну імплантацію та відпал необхідно проводити в середовищі високої температури(до 1600 °C), висока температура вплине на структуру решітки самого матеріалу, а складність також вплине на вихід.
Крім того, для MOSFET-компонентів,Якість затворного кисню безпосередньо впливає на рухливість каналу та надійність затвора, оскільки в матеріалі карбіду кремнію є два види атомів кремнію та вуглецю.
Тому потрібен спеціальний метод вирощування в середовищі затвора (ще один момент полягає в тому, що лист карбіду кремнію прозорий, і вирівнювання положення на етапі фотолітографії важко виконати за допомогою кремнію).
Після завершення виробництва пластини окремий чіп розрізається на голий чіп і може бути упакований відповідно до призначення. Загальним процесом для дискретних пристроїв є упаковка TO.
МОП-транзистори CoolSiC™ на 650 В у корпусі TO-247
Фото: Інфінеон
Автомобільна галузь має високі вимоги до потужності та тепловіддачі, і іноді необхідно безпосередньо створювати мостові схеми (напівміст або повний міст, або безпосередньо в корпусі з діодами).
Тому його часто упаковують безпосередньо в модулі або системи. Залежно від кількості мікросхем, упакованих в один модуль, поширеною формою є 1 в 1 (BorgWarner), 6 в 1 (Infineon) тощо, а деякі компанії використовують паралельну схему з однією лампою.
Боргварнерська гадюка
Підтримує двостороннє водяне охолодження та SiC-MOSFET
Модулі MOSFET Infineon CoolSiC™
На відміну від кремнію,Карбідкремнієві модулі працюють при вищій температурі, близько 200°C.
Традиційна температура плавлення м'якого припою низька, що не відповідає температурним вимогам. Тому модулі з карбіду кремнію часто використовують низькотемпературний процес спікання срібла.
Після завершення модуля його можна застосувати до системи деталей.
Контролер двигуна Tesla Model3
Голий чіп виготовлений з ST, власно розробленого корпусу та системи електричного приводу.
☆02 Статус застосування SiC?
В автомобільній галузі силові пристрої в основному використовуються вDCDC, OBC, інвертори двигунів, інвертори електричних кондиціонерів, бездротова зарядка та інші деталіщо потребують швидкого перетворення змінного/постійного струму (DCDC переважно діє як швидкий перемикач).
Фото: BorgWarner
Порівняно з матеріалами на основі кремнію, матеріали SIC мають вищукритична напруженість поля пробою лавини(3×106 В/см),краща теплопровідність(49 Вт/мК) таширша заборонена зона(3,26 еВ).
Чим ширша заборонена зона, тим менший струм витоку та вищий ККД. Чим краща теплопровідність, тим вища щільність струму. Чим сильніше критичне поле лавинного пробою, тим краще можна покращити опір пристрою напрузі.
Таким чином, в галузі бортових високовольтних пристроїв, MOSFET та SBD, виготовлені з карбід-кремнієвих матеріалів для заміни існуючої комбінації IGBT та FRD на основі кремнію, можуть ефективно підвищити потужність та ефективність.особливо у сценаріях застосування на високій частоті, щоб зменшити втрати на перемикання.
Наразі найбільш ймовірно досягнення масштабних застосувань у моторних інверторах, далі йдуть OBC та DCDC.
Платформа напругою 800 В
На платформі напруги 800 В перевага високої частоти робить підприємства більш схильними обирати рішення SiC-MOSFET. Тому більшість сучасних електронних керуючих пристроїв на 800 В планують використовувати SiC-MOSFET.
Планування на рівні платформи включаєсучасний E-GMP, GM Otenergy – сфера пікапів, Porsche PPE та Tesla EPA.За винятком моделей платформи Porsche PPE, які безпосередньо не мають SiC-MOSFET (перша модель — це IGBT на основі кремнію), інші автомобільні платформи використовують схеми SiC-MOSFET.
Універсальна ультраенергетична платформа
Планування моделі 800V – це більше,Бренд салону Great Wall, Jiagirong, версія Beiqi pole Fox S HI, ідеальний автомобіль S01 та W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11 заявив, що він використовуватиме платформу 800V, на додаток до BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen також заявив про дослідження технології 800V.
З ситуації із замовленнями на 800 В, отриманими постачальниками першого рівня,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics та Huichuanвсі оголошені замовлення на електроприводи на 800 В.
Платформа напругою 400 В
На платформі напруги 400 В SiC-MOSFET головним чином враховує високу потужність та щільність потужності, а також високу ефективність.
Наприклад, двигун Tesla Model 3\Y, який зараз виробляється серійно, має пікову потужність близько 200 кВт (Tesla 202 кВт, 194 кВт, 220 кВт, BYD 180 кВт). NIO також використовуватиме продукти SiC-MOSFET, починаючи з ET7 та ET5, які будуть перелічені пізніше. Пікова потужність становить 240 кВт (ET5 210 кВт).
Крім того, з точки зору високої ефективності, деякі підприємства також вивчають можливість використання допоміжних продуктів SiC-MOSFET із затопленням.
Час публікації: 08 липня 2023 р.
