Порівняно з силовими напівпровідниками на основі кремнію силові напівпровідники SiC (карбіду кремнію) мають значні переваги в частоті перемикання, втратах, розсіюванні тепла, мініатюризації тощо.
З широкомасштабним виробництвом інверторів з карбіду кремнію компанією Tesla все більше компаній також почали виробляти продукти з карбіду кремнію.
SiC такий «дивовижний», як його зробили?Які програми зараз?Подивимось!
01 ☆ Народження SiC
Як і інші силові напівпровідники, промисловий ланцюг SiC-MOSFET включаєдовгий кристал – підкладка – епітаксія – дизайн – виробництво – упаковка.
Довгий кристал
Під час довгого кристалічного зв’язку, на відміну від підготовки методу Тіра, який використовується монокристалічним кремнієм, карбід кремнію в основному використовує фізичний метод транспортування газу (PVT, також відомий як покращений Lly або метод сублімації затравкового кристала), метод високотемпературного хімічного газового осадження (HTCVD). ) добавки.
☆ Основний крок
1. Вуглецева тверда сировина;
2. Після нагрівання твердий карбід стає газом;
3. Газ рухається до поверхні затравкового кристала;
4. Газ росте на поверхні затравкового кристала в кристал.
Джерело зображення: «Технічна точка для розбирання PVT карбіду кремнію»
Інша майстерність спричинила два серйозні 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.Весь темний ящик проводиться, і його легко змішати з домішками.Вихід нижчий, ніж кремнієва основа.Чим більше діаметр, тим менше врожайність.
Друге - повільне зростання.Управління методом PVT дуже повільне, швидкість становить приблизно 0,3-0,5 мм/год, і він може вирости на 2 см за 7 днів.Максимум може вирости лише на 3-5 см, а діаметр кристалічного злитка в основному становить 4 і 6 дюймів.
72H на основі кремнію може досягати висоти 2-3 м, з діаметром переважно 6 дюймів і 8-дюймовою новою виробничою потужністю для 12 дюймів.Тому карбід кремнію часто називають кристалічним зливком, а кремній стає кристалічною паличкою.
Злитки кристалів карбіду кремнію
Підкладка
Після завершення довгого кристала він входить у процес виробництва підкладки.
Після цілеспрямованого різання, шліфування (грубе шліфування, тонке шліфування), полірування (механічне полірування), надточне полірування (хімічно-механічне полірування) отримують підкладку з карбіду кремнію.
В основному грає підкладкароль фізичної опори, теплопровідності та електропровідності.Складність обробки полягає в тому, що матеріал карбіду кремнію є високим, хрустким і стабільним за хімічними властивостями.Тому традиційні методи обробки на основі кремнію не підходять для підкладки з карбіду кремнію.
Якість ефекту різання безпосередньо впливає на продуктивність і ефективність використання (вартість) виробів з карбіду кремнію, тому вони повинні бути невеликими, рівномірної товщини та низького різання.
Наразі,4-дюймові та 6-дюймові в основному використовують багаторядне обладнання для різання,різання кристалів кремнію на тонкі пластини товщиною не більше 1 мм.
Багатолінійна схема різання
У майбутньому зі збільшенням розміру карбонізованих кремнієвих пластин зростатимуть вимоги до використання матеріалу, а також поступово застосовуватимуться такі технології, як лазерне нарізання 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 крекінгу втратив лише 1/8 матеріалу карбіду кремнію.
Розширення
Оскільки матеріал карбіду кремнію не може створювати силові пристрої безпосередньо на підкладці, на шарі розширення потрібні різні пристрої.
Таким чином, після завершення виробництва підкладки на підкладці за допомогою процесу розширення вирощується специфічна монокристалічна тонка плівка.
В даний час в основному використовується процес хімічного газового осадження (CVD).
Дизайн
Після того, як підкладка виготовлена, вона переходить на етап проектування виробу.
Для MOSFET процес проектування зосереджений на проектуванні канавки,з одного боку, щоб уникнути порушення патентних прав(Infineon, Rohm, ST тощо мають патентний макет), а з іншого бокувідповідати технологічності та витратам на виготовлення.
Виготовлення вафель
Після завершення розробки продукту він переходить на етап виготовлення пластин,і процес приблизно подібний до кремнію, який в основному складається з наступних 5 кроків.
☆Крок 1: Введіть маску
Створюється шар плівки оксиду кремнію (SiO2), на фоторезист наноситься покриття, малюнок фоторезисту формується за допомогою етапів гомогенізації, експонування, проявлення тощо, а малюнок переноситься на оксидну плівку за допомогою процесу травлення.
☆Крок 2: Іонна імплантація
Маскована пластина карбіду кремнію поміщається в іонний імплантор, куди вводять іони алюмінію для формування зони легування P-типу та відпалюють для активації імплантованих іонів алюмінію.
Оксидна плівка видаляється, іони азоту вводяться в певну область легуючої області P-типу, щоб утворити провідну область N-типу стоку та витоку, а імплантовані іони азоту відпалюються для їх активації.
☆Крок 3: Створіть сітку
Зробіть сітку.У зоні між джерелом і стоком шар оксиду затвора готується процесом високотемпературного окислення, а шар електрода затвора осаджується для формування структури керування затвором.
☆Крок 4: Створення шарів пасивації
Зроблено шар пасивації.Нанесіть шар пасивації з хорошими ізоляційними характеристиками, щоб запобігти міжелектродному пробою.
☆Крок 5: Виготовте електроди стоку-витоку
Зробити стік і джерело.Шар пасивації перфорований, а метал напилений для формування стоку та витоку.
Джерело фото: Xinxi Capital
Хоча існує невелика різниця між технологічним рівнем і на основі кремнію, через характеристики матеріалів з карбіду кремнію,іонну імплантацію та відпал потрібно проводити в середовищі з високою температурою(до 1600 ° C), висока температура вплине на структуру решітки самого матеріалу, а складність також вплине на врожайність.
Крім того, для компонентів MOSFET,якість гейт-кисню безпосередньо впливає на рухливість каналу та надійність гейта, оскільки в матеріалі карбіду кремнію є два види атомів кремнію та вуглецю.
Тому потрібен спеціальний метод вирощування затворного середовища (іншим моментом є те, що лист карбіду кремнію є прозорим, і вирівнювання положення на етапі фотолітографії є складним для кремнію).
Після завершення виробництва пластини окремий чіп розрізається на чистий чіп і може бути упакований відповідно до призначення.Загальним процесом для дискретних пристроїв є пакет TO.
МОП-транзистори CoolSiC™ на 650 В у корпусі TO-247
Фото: Infineon
Автомобільна галузь має високі вимоги до потужності та розсіювання тепла, і іноді необхідно безпосередньо побудувати мостові схеми (напівміст або повний міст, або безпосередньо упаковані з діодами).
Тому його часто упаковують безпосередньо в модулі чи системи.Відповідно до кількості чіпів, упакованих в один модуль, загальноприйнятою формою є 1 в 1 (BorgWarner), 6 в 1 (Infineon) тощо, а деякі компанії використовують однотрубну паралельну схему.
Borgwarner Viper
Підтримує двостороннє водяне охолодження та SiC-MOSFET
Модулі MOSFET Infineon CoolSiC™
На відміну від кремнію,модулі з карбіду кремнію працюють при більш високій температурі, близько 200 ° C.
Традиційна температура плавлення м'якого припою низька, не може відповідати вимогам температури.Тому модулі з карбіду кремнію часто використовують процес зварювання при низькотемпературному спіканні срібла.
Після того, як модуль завершено, його можна застосувати до системи деталей.
Контролер двигуна Tesla Model3
Голий чіп походить від ST, пакета власної розробки та системи електричного приводу
☆02 Статус застосування SiC?
В автомобільній сфері силові пристрої в основному використовуються вDCDC, OBC, моторні інвертори, електричні інвертори для кондиціонування повітря, бездротова зарядка та інші частиниякі потребують швидкого перетворення AC/DC (DCDC в основному діє як швидкий перемикач).
Фото: BorgWarner
У порівнянні з матеріалами на основі кремнію, матеріали SIC мають вищунапруженість поля критичного лавинного пробою(3×106В/см),краща теплопровідність(49 Вт/мК) іширша заборонена зона(3,26 еВ).
Чим ширша заборонена зона, тим менший струм витоку і вище ефективність.Чим краще теплопровідність, тим вище щільність струму.Чим сильнішим є поле критичного лавинного пробою, тим можна покращити стійкість пристрою до напруги.
Таким чином, у сфері бортової високої напруги MOSFET і SBD, виготовлені з матеріалів карбіду кремнію, щоб замінити існуючу комбінацію IGBT і FRD на основі кремнію, можуть ефективно підвищити потужність і ефективність,особливо у високочастотних сценаріях застосування, щоб зменшити втрати при перемиканні.
В даний час найбільш ймовірно досягнення широкомасштабних застосувань в інверторах двигунів, за якими слідують OBC і DCDC.
Платформа напруги 800В
У платформі напруги 800 В перевага високої частоти робить підприємства більш схильними вибирати рішення SiC-MOSFET.Таким чином, більшість поточного електронного керування 800 В планування SiC-MOSFET.
Планування на рівні платформи включаєmodern E-GMP, GM Otenergy – pickup field, Porsche PPE і Tesla EPA.За винятком моделей платформи Porsche PPE, які явно не мають SiC-MOSFET (перша модель — IGBT на основі кремнезему), інші платформи транспортних засобів використовують схеми SiC-MOSFET.
Універсальна енергетична платформа Ultra
Планування моделі 800 В більше,бренд Great Wall Salon Jiagirong, версія Beiqi pole Fox S HI, ідеальний автомобіль S01 і W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 сказав, що він буде нести платформу 800 В, на додаток до BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen також сказав, що технологія 800 В досліджується.
Виходячи із замовлень на 800 В, отриманих постачальниками Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics і Huichuanусі оголошені замовлення електроприводу 800 В.
Платформа напруги 400В
У платформі напруги 400 В SiC-MOSFET в основному розглядає високу потужність і щільність потужності та високу ефективність.
Наприклад, двигун Tesla Model 3\Y, який зараз масово виробляється, пікова потужність двигуна BYD Hanhou становить близько 200 кВт (Tesla 202 кВт, 194 кВт, 220 кВт, BYD 180 кВт), NIO також використовуватиме продукти SiC-MOSFET, починаючи з ET7. і ET5, які будуть перераховані пізніше.Пікова потужність 240Kw (ET5 210Kw).
Крім того, з точки зору високої ефективності, деякі підприємства також вивчають доцільність допоміжних продуктів затоплення SiC-MOSFET.
Час публікації: 08 липня 2023 р