Berbanding dengan semikonduktor kuasa berasaskan silikon, semikonduktor kuasa SiC (silikon karbida) mempunyai kelebihan yang ketara dalam frekuensi pensuisan, kehilangan, pelesapan haba, pengecilan, dll.
Dengan pengeluaran penyongsang silikon karbida secara besar-besaran oleh Tesla, lebih banyak syarikat juga telah mula mendaratkan produk silikon karbida.
SiC sangat "luar biasa", bagaimana ia dibuat?Apakah permohonan sekarang?Jom tengok!
01 ☆ Kelahiran SiC
Seperti semikonduktor kuasa lain, rangkaian industri SiC-MOSFET termasukkristal panjang – substrat – epitaksi – reka bentuk – pembuatan – pautan pembungkusan.
Kristal panjang
Semasa pautan kristal yang panjang, tidak seperti penyediaan kaedah Tira yang digunakan oleh silikon kristal tunggal, silikon karbida terutamanya menggunakan kaedah pengangkutan gas fizikal (PVT, juga dikenali sebagai Lly yang lebih baik atau kaedah pemejalwapan kristal benih), kaedah pemendapan gas kimia suhu tinggi ( HTCVD ) makanan tambahan.
☆ Langkah teras
1. bahan mentah pepejal karbonik;
2. Selepas pemanasan, pepejal karbida menjadi gas;
3. Gas bergerak ke permukaan kristal benih;
4. Gas tumbuh di permukaan hablur benih menjadi hablur.
Sumber gambar: "Titik Teknikal untuk membuka PVT pertumbuhan silikon karbida"
Ketukangan yang berbeza telah menyebabkan dua kelemahan utama berbanding dengan asas silikon:
Pertama, pengeluaran sukar dan hasil rendah.Suhu fasa gas berasaskan karbon meningkat melebihi 2300 ° C dan tekanan ialah 350MPa.Seluruh kotak gelap dijalankan, dan ia mudah dicampurkan ke dalam kekotoran.Hasilnya lebih rendah daripada asas silikon.Lebih besar diameter, lebih rendah hasil.
Yang kedua ialah pertumbuhan perlahan.Tadbir Urus kaedah PVT adalah sangat perlahan, kelajuan adalah kira-kira 0.3-0.5mm/j, dan ia boleh berkembang 2cm dalam 7 hari.Maksimum hanya boleh tumbuh 3-5cm, dan diameter jongkong kristal kebanyakannya 4 inci dan 6 inci.
72H berasaskan Silikon boleh berkembang ke ketinggian 2-3m, dengan diameter kebanyakannya 6 inci dan kapasiti pengeluaran baharu 8 inci untuk 12 inci.Oleh itu, silikon karbida sering dipanggil jongkong kristal, dan silikon menjadi kayu kristal.
Jongkong kristal silikon karbida
Substrat
Selepas kristal panjang selesai, ia memasuki proses pengeluaran substrat.
Selepas pemotongan yang disasarkan, pengisaran (pengisaran kasar, pengisaran halus), penggilap (penggilap mekanikal), penggilapan ketepatan ultra (penggilap mekanikal kimia), substrat silikon karbida diperolehi.
Substrat terutamanya bermainperanan sokongan fizikal, kekonduksian haba dan kekonduksian.Kesukaran pemprosesan adalah bahawa bahan silikon karbida adalah tinggi, rangup, dan stabil dalam sifat kimia.Oleh itu, kaedah pemprosesan berasaskan silikon tradisional tidak sesuai untuk substrat silikon karbida.
Kualiti kesan pemotongan secara langsung mempengaruhi prestasi dan kecekapan penggunaan (kos) produk silikon karbida, jadi ia dikehendaki kecil, ketebalan seragam, dan pemotongan rendah.
Pada masa ini,4-inci dan 6-inci terutamanya menggunakan peralatan pemotongan berbilang talian,memotong hablur silikon menjadi kepingan nipis dengan ketebalan tidak lebih daripada 1mm.
Gambar rajah skema pemotongan berbilang talian
Pada masa hadapan, dengan peningkatan dalam saiz wafer silikon berkarbonat, peningkatan dalam keperluan penggunaan bahan akan meningkat, dan teknologi seperti penghirisan laser dan pengasingan sejuk juga akan digunakan secara beransur-ansur.
Pada 2018, Infineon memperoleh Siltectra GmbH, yang membangunkan proses inovatif yang dikenali sebagai keretakan sejuk.
Berbanding dengan kehilangan proses pemotongan berbilang wayar tradisional sebanyak 1/4,proses rekahan sejuk hanya kehilangan 1/8 daripada bahan silikon karbida.
Sambungan
Oleh kerana bahan silikon karbida tidak boleh membuat peranti kuasa terus pada substrat, pelbagai peranti diperlukan pada lapisan sambungan.
Oleh itu, selepas pengeluaran substrat selesai, filem nipis kristal tunggal tertentu ditanam pada substrat melalui proses lanjutan.
Pada masa ini, proses kaedah pemendapan gas kimia (CVD) digunakan terutamanya.
Reka bentuk
Selepas substrat dibuat, ia memasuki peringkat reka bentuk produk.
Untuk MOSFET, tumpuan proses reka bentuk adalah reka bentuk alur,di satu pihak untuk mengelakkan pelanggaran paten(Infineon, Rohm, ST, dll., mempunyai susun atur paten), dan sebaliknya untukmemenuhi kebolehkilangan dan kos pembuatan.
Pembuatan wafer
Selepas reka bentuk produk selesai, ia memasuki peringkat pembuatan wafer,dan prosesnya hampir serupa dengan silikon, yang kebanyakannya mempunyai 5 langkah berikut.
☆Langkah 1: Suntikan topeng
Lapisan filem silikon oksida (SiO2) dibuat, photoresist disalut, corak photoresist dibentuk melalui langkah-langkah homogenisasi, pendedahan, pembangunan, dan lain-lain, dan angka itu dipindahkan ke filem oksida melalui proses etsa.
☆Langkah 2: Implantasi ion
Wafer silikon karbida bertopeng diletakkan ke dalam implanter ion, di mana ion aluminium disuntik untuk membentuk zon doping jenis P, dan disepuhlindapkan untuk mengaktifkan ion aluminium yang diimplan.
Filem oksida dikeluarkan, ion nitrogen disuntik ke kawasan tertentu kawasan doping jenis P untuk membentuk kawasan konduktif jenis N pada longkang dan sumber, dan ion nitrogen yang ditanam disepuhlindapkan untuk mengaktifkannya.
☆Langkah 3: Buat grid
Buat grid.Di kawasan antara sumber dan longkang, lapisan oksida pintu disediakan oleh proses pengoksidaan suhu tinggi, dan lapisan elektrod pintu didepositkan untuk membentuk struktur kawalan pintu.
☆Langkah 4: Membuat lapisan pasif
Lapisan pasif dibuat.Simpan lapisan pempasifan dengan ciri penebat yang baik untuk mengelakkan kerosakan antara elektrod.
☆Langkah 5: Buat elektrod sumber saliran
Buat longkang dan sumber.Lapisan pempasifan berlubang dan logam terpercik untuk membentuk longkang dan sumber.
Sumber Foto: Xinxi Capital
Walaupun terdapat sedikit perbezaan antara tahap proses dan berasaskan silikon, disebabkan oleh ciri-ciri bahan silikon karbida,implantasi ion dan penyepuhlindapan perlu dijalankan dalam persekitaran suhu tinggi(sehingga 1600 ° C), suhu tinggi akan menjejaskan struktur kekisi bahan itu sendiri, dan kesukaran juga akan menjejaskan hasil.
Selain itu, untuk komponen MOSFET,kualiti oksigen pintu secara langsung mempengaruhi mobiliti saluran dan kebolehpercayaan pintu, kerana terdapat dua jenis silikon dan atom karbon dalam bahan silikon karbida.
Oleh itu, kaedah pertumbuhan sederhana pintu khas diperlukan (titik lain ialah lembaran silikon karbida adalah telus, dan penjajaran kedudukan pada peringkat fotolitografi sukar untuk silikon).
Selepas pembuatan wafer selesai, cip individu dipotong menjadi cip kosong dan boleh dibungkus mengikut tujuan.Proses biasa untuk peranti diskret ialah pakej TO.
MOSFET CoolSiC™ 650V dalam pakej TO-247
Foto: Infineon
Bidang automotif mempunyai keperluan kuasa dan pelesapan haba yang tinggi, dan kadangkala perlu membina litar jambatan secara langsung (jambatan separuh atau jambatan penuh, atau dibungkus secara langsung dengan diod).
Oleh itu, ia sering dibungkus terus ke dalam modul atau sistem.Mengikut bilangan cip yang dibungkus dalam satu modul, bentuk biasa ialah 1 dalam 1 (BorgWarner), 6 dalam 1 (Infineon), dsb., dan sesetengah syarikat menggunakan skema selari satu tiub.
Borgwarner Viper
Menyokong penyejukan air dua muka dan SiC-MOSFET
Modul MOSFET Infineon CoolSiC™
Tidak seperti silikon,modul karbida silikon beroperasi pada suhu yang lebih tinggi, kira-kira 200 ° C.
Suhu takat lebur suhu pateri lembut tradisional adalah rendah, tidak dapat memenuhi keperluan suhu.Oleh itu, modul silikon karbida sering menggunakan proses kimpalan pensinteran perak suhu rendah.
Selepas modul selesai, ia boleh digunakan pada sistem bahagian.
Pengawal motor Tesla Model3
Cip terdedah datang daripada ST, pakej yang dibangunkan sendiri dan sistem pemacu elektrik
☆02 Status permohonan SiC?
Dalam bidang automotif, peranti kuasa digunakan terutamanya dalamDCDC, OBC, penyongsang motor, penyongsang penghawa dingin elektrik, pengecasan tanpa wayar dan bahagian lainyang memerlukan penukaran pantas AC/DC (DCDC terutamanya bertindak sebagai suis pantas).
Foto: BorgWarner
Berbanding dengan bahan berasaskan silikon, bahan SIC mempunyai lebih tinggikekuatan medan pecahan runtuhan salji kritikal(3×106V/cm),kekonduksian haba yang lebih baik(49W/mK) danjurang jalur yang lebih luas(3.26eV).
Semakin lebar jurang jalur, semakin kecil arus bocor dan semakin tinggi kecekapan.Semakin baik kekonduksian terma, semakin tinggi ketumpatan arus.Lebih kuat medan kerosakan runtuhan salji kritikal, rintangan voltan peranti boleh dipertingkatkan.
Oleh itu, dalam bidang voltan tinggi atas kapal, MOSFET dan SBD yang disediakan oleh bahan silikon karbida untuk menggantikan gabungan IGBT dan FRD berasaskan silikon sedia ada boleh meningkatkan kuasa dan kecekapan dengan berkesan,terutamanya dalam senario aplikasi frekuensi tinggi untuk mengurangkan kehilangan pensuisan.
Pada masa ini, ia berkemungkinan besar untuk mencapai aplikasi berskala besar dalam penyongsang motor, diikuti oleh OBC dan DCDC.
Platform voltan 800V
Dalam platform voltan 800V, kelebihan frekuensi tinggi menjadikan perusahaan lebih cenderung untuk memilih penyelesaian SiC-MOSFET.Oleh itu, kebanyakan perancangan kawalan elektronik 800V semasa SiC-MOSFET.
Perancangan peringkat platform termasukE-GMP moden, GM Otenergy – medan pikap, Porsche PPE dan Tesla EPA.Kecuali untuk model platform PPE Porsche yang tidak secara eksplisit membawa SiC-MOSFET (model pertama ialah IGBT berasaskan silika), platform kenderaan lain menggunakan skim SiC-MOSFET.
Platform tenaga Ultra Universal
Perancangan model 800V lebih banyak,jenama Great Wall Salon Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI versi, kereta ideal S01 dan W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 berkata bahawa ia akan membawa platform 800V, sebagai tambahan kepada BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen juga berkata teknologi 800V dalam penyelidikan.
Daripada situasi pesanan 800V yang diperoleh oleh pembekal Tier1,BorgWarner, Teknologi Wipai, ZF, United Electronics dan Huichuansemua mengumumkan pesanan pemacu elektrik 800V.
Platform voltan 400V
Dalam platform voltan 400V, SiC-MOSFET terutamanya dalam pertimbangan kuasa tinggi dan ketumpatan kuasa dan kecekapan tinggi.
Seperti motor Tesla Model 3\Y yang telah dihasilkan secara besar-besaran sekarang, kuasa puncak motor BYD Hanhou ialah kira-kira 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO juga akan menggunakan produk SiC-MOSFET bermula dari ET7 dan ET5 yang akan disenaraikan kemudian.Kuasa puncak ialah 240Kw (ET5 210Kw).
Di samping itu, dari perspektif kecekapan tinggi, sesetengah perusahaan juga meneroka kemungkinan produk SiC-MOSFET membanjiri tambahan.
Masa siaran: Jul-08-2023