A szilícium alapú teljesítmény-félvezetőkkel összehasonlítva a SiC (szilícium-karbid) teljesítmény-félvezetők jelentős előnyökkel rendelkeznek a kapcsolási frekvencia, a veszteség, a hőelvezetés, a miniatürizálás stb. tekintetében.
A Tesla nagymértékű szilícium-karbid inverterek gyártásával egyre több vállalat kezdett el szilícium-karbid termékeket forgalmazni.
A SiC annyira „elképesztő”, hogy a csudába állították elő? Milyen alkalmazási területei vannak most? Lássuk!
01 ☆ Egy SiC születése
Más teljesítmény-félvezetőkhöz hasonlóan a SiC-MOSFET iparági lánc is magában foglaljaA hosszú kristály – hordozó – epitaxia – tervezés – gyártás – csomagolás kapcsolata.
Hosszú kristály
A hosszú kristálykötés során, ellentétben az egykristályos szilícium által alkalmazott Tira-módszerrel, a szilícium-karbid főként fizikai gázszállítási módszert (PVT, más néven javított Lly vagy oltókristály-szublimációs módszer) és magas hőmérsékletű kémiai gázleválasztási módszert (HTCVD) alkalmaz.
☆ Alaplépés
1. Széntartalmú szilárd nyersanyag;
2. Melegítés után a karbid szilárd anyag gáz halmazállapotúvá válik;
3. Gáz áramlik a vetőkristály felületére;
4. A gáz a magkristály felületén kristállyá nő.
Kép forrása: „Technikai pont a PVT növekedésű szilícium-karbid szétszereléséhez”
Az eltérő kidolgozás két fő hátrányt okozott a szilíciumalapúhoz képest:
Először is, a termelés nehézkes, és a hozam alacsony.A szén alapú gázfázis hőmérséklete 2300 °C fölé emelkedik, a nyomás pedig 350 MPa. Teljesen sötét dobozban van, és könnyen szennyeződésekbe keverhető. A hozam alacsonyabb, mint a szilícium alapúaknál. Minél nagyobb az átmérő, annál alacsonyabb a hozam.
A második a lassú növekedés.A PVT módszer irányítása nagyon lassú, a sebesség körülbelül 0,3-0,5 mm/h, és 7 nap alatt 2 cm-t nőhet. A maximális növekedés csak 3-5 cm, a kristályrúd átmérője pedig többnyire 4 és 6 hüvelyk.
A szilícium alapú 72H 2-3 méter magasra nőhet, többnyire 6 hüvelykes, 8 hüvelykes átmérővel, így a gyártási kapacitás 12 hüvelykes változat esetén elérheti a 8 hüvelyket is.Ezért a szilícium-karbidot gyakran kristályöntvénynek nevezik, és a szilícium kristálypálcává válik.
Keményfém szilícium kristályöntvények
Hordozóanyag
Miután a hosszú kristály elkészült, belép a szubsztrát gyártási folyamatába.
Célzott vágás, köszörülés (durva köszörülés, finom köszörülés), polírozás (mechanikai polírozás), ultraprecíziós polírozás (kémiai mechanikai polírozás) után előállítják a szilícium-karbid hordozót.
Az aljzat főként játszik szerepeta fizikai támasz, a hővezető képesség és a vezetőképesség szerepe.A feldolgozás nehézsége abban rejlik, hogy a szilícium-karbid anyag magas fokú, ropogós és kémiai tulajdonságokban stabil. Ezért a hagyományos szilícium alapú feldolgozási módszerek nem alkalmasak szilícium-karbid hordozóhoz.
A vágási hatás minősége közvetlenül befolyásolja a szilícium-karbid termékek teljesítményét és kihasználtságát (költségét), ezért kicsinek, egyenletes vastagságúnak és alacsony vágási igényűnek kell lennie.
Jelenleg,A 4 hüvelykes és 6 hüvelykes gépek főként többsoros vágóberendezéseket használnak,szilíciumkristályok vékony, legfeljebb 1 mm vastagságú szeletekre vágása.
Többsoros vágási vázlat
A jövőben a karbonizált szilícium ostyák méretének növekedésével az anyagfelhasználási igények is növekedni fognak, és fokozatosan olyan technológiákat is alkalmazni fognak, mint a lézeres szeletelés és a hideg elválasztás.
2018-ban az Infineon felvásárolta a Siltectra GmbH-t, amely egy innovatív, hidegrepesztésként ismert eljárást fejlesztett ki.
A hagyományos, többszálas vágási eljárással összehasonlítva, a veszteség 1/4,A hideg krakkolási eljárás során a szilícium-karbid anyagnak csak 1/8-a veszett el.
Kiterjesztés
Mivel a szilícium-karbid anyag nem képes közvetlenül az aljzatra erőeszközöket létrehozni, különféle eszközökre van szükség a kiterjesztő rétegen.
Ezért, miután a szubsztrát előállítása befejeződött, egy specifikus egykristályos vékonyréteget növesztenek a szubsztráton a kiterjesztési folyamaton keresztül.
Jelenleg elsősorban a kémiai gázleválasztási módszert (CVD) alkalmazzák.
Tervezés
Miután az aljzatanyag elkészült, az a terméktervezési szakaszba lép.
A MOSFET esetében a tervezési folyamat középpontjában a horony kialakítása áll,egyrészt a szabadalmi jogsértések elkerülése érdekében(Az Infineon, Rohm, ST stb. szabadalmaztatott elrendezéssel rendelkezik), másrészt pedigmegfeleljen a gyárthatósági és gyártási költségeknek.
Ostyagyártás
Miután a terméktervezés elkészült, belép a lapkagyártás szakaszába,és a folyamat nagyjából hasonló a szilíciumhoz, amely főként a következő 5 lépésből áll.
☆ 1. lépés: Fecskendezd be a maszkot
Egy szilícium-oxid (SiO2) filmréteget készítenek, bevonják a fotorezisztet, a homogenizálás, expozíció, előhívás stb. lépéseivel kialakítják a fotoreziszt mintázatát, és a maratási eljárással átviszik az oxidfilmre.
☆2. lépés: Ionbeültetés
A maszkolt szilícium-karbid ostyát egy ionimplantátorba helyezik, ahol alumíniumionokat injektálnak egy P-típusú doppingzóna kialakításához, majd hőkezeléssel aktiválják a beültetett alumíniumionokat.
Az oxidfilmet eltávolítják, nitrogénionokat injektálnak a P-típusú adalékoló régió egy meghatározott régiójába, hogy a drain és a source N-típusú vezető régióját képezzék, majd a beültetett nitrogénionokat hőkezeléssel aktiválják.
☆3. lépés: Készítsd el a rácsot
Készítse el a rácsot. A forrás és a nyelő közötti területen magas hőmérsékletű oxidációs eljárással készítik el a kapu-oxid réteget, majd a kapuelektróda réteget lerakják, így kialakítva a kapuvezérlő szerkezetet.
☆4. lépés: Passziváló rétegek készítése
Passziváló réteg készül. Jó szigetelő tulajdonságokkal rendelkező passziváló réteget kell felvinni az elektródák közötti átszakadás megakadályozása érdekében.
☆5. lépés: Készítse el a nyelő-forrás elektródákat
Drén és forrás létrehozása. A passziváló réteget perforálják, és fémet porlasztanak, hogy drént és forrást hozzanak létre.
Fotó forrása: Xinxi Capital
Bár a szilícium-karbid anyagok tulajdonságai miatt kevés különbség van a folyamatszint és a szilícium alapú anyagok között,Az ionbeültetést és a hőkezelést magas hőmérsékletű környezetben kell elvégezni(1600 °C-ig) a magas hőmérséklet befolyásolja az anyag rácsszerkezetét, és a nehézség a hozamot is befolyásolja.
Ezenkívül a MOSFET alkatrészek esetébenA kapu oxigénjének minősége közvetlenül befolyásolja a csatorna mobilitását és a kapu megbízhatóságát, mivel a szilícium-karbid anyagban kétféle szilícium- és szénatom található.
Ezért speciális kapuközeg-növekedési módszerre van szükség (egy másik szempont, hogy a szilícium-karbid lemez átlátszó, és a fotolitográfiai szakaszban a pozícióillesztés nehéz szilikonnal).
A lapkagyártás befejezése után az egyes chipeket csupasz chippé vágják, és a célnak megfelelően csomagolják. A diszkrét eszközök esetében az általános eljárás a TO-csomagolás.
650 V-os CoolSiC™ MOSFET-ek TO-247 tokozásban
Fotó: Infineon
Az autóiparban nagy az energia- és hőelvezetési igény, és néha közvetlenül hídkapcsolású áramköröket kell építeni (félhíd vagy teljes híd, vagy közvetlenül diódákkal együtt).
Ezért gyakran közvetlenül modulokba vagy rendszerekbe csomagolják. Az egyetlen modulba csomagolt chipek száma szerint a gyakori forma az 1 az 1-ben (BorgWarner), a 6 az 1-ben (Infineon) stb., és egyes vállalatok egycsöves párhuzamos sémát is használnak.
Borgwarner Viper
Támogatja a kétoldalas vízhűtést és a SiC-MOSFET-et
Infineon CoolSiC™ MOSFET modulok
A szilíciummal ellentétben,A szilícium-karbid modulok magasabb hőmérsékleten, körülbelül 200 °C-on működnek.
A hagyományos lágyforrasztási hőmérséklet alacsony, olvadáspontja nem felel meg a hőmérsékleti követelményeknek. Ezért a szilícium-karbid modulokhoz gyakran alacsony hőmérsékletű ezüst szinterezési hegesztési eljárást alkalmaznak.
A modul elkészülte után alkalmazható az alkatrészrendszerre.
Tesla Model3 motorvezérlő
A csupasz chip az ST-től származik, saját fejlesztésű csomag és elektromos hajtásrendszer
☆02 A SiC alkalmazásának állapota?
Az autóiparban az erőgépeket főként a következő területeken használják:DCDC, OBC, motor inverterek, elektromos légkondicionáló inverterek, vezeték nélküli töltés és egyéb alkatrészekamelyek gyors AC/DC átalakítást igényelnek (a DCDC főként gyorskapcsolóként működik).
Fotó: BorgWarner
A szilícium alapú anyagokhoz képest a SIC anyagok magasabbkritikus lavina lebontási térerősség(3×10⁶V/cm),jobb hővezető képesség(49 W/mK) ésszélesebb sávrés(3,26 eV).
Minél szélesebb a tiltott sáv, annál kisebb a szivárgási áram és annál nagyobb a hatásfok. Minél jobb a hővezető képesség, annál nagyobb az áramsűrűség. Minél erősebb a kritikus lavina-áttörési mező, annál jobb az eszköz feszültségállósága.
Ezért a fedélzeti nagyfeszültségű áramkörök területén a szilícium-karbid anyagokból készült MOSFET-ek és SBD-k, amelyek a meglévő szilíciumalapú IGBT és FRD kombinációkat váltják fel, hatékonyan javíthatják a teljesítményt és a hatékonyságot.különösen nagyfrekvenciás alkalmazási esetekben a kapcsolási veszteségek csökkentése érdekében.
Jelenleg a legnagyobb valószínűséggel motorinverterekben fog nagyszabású alkalmazásokat elérni, ezt követi az OBC és a DCDC.
800 V-os feszültségű platform
A 800 V-os feszültségplatformon a nagyfrekvenciás előny miatt a vállalatok hajlamosabbak a SiC-MOSFET megoldásokat választani. Ezért a jelenlegi 800 V-os elektronikus vezérlések nagy része SiC-MOSFET-et használ.
Platformszintű tervezés magában foglaljamodern E-GMP, GM Otenergy – pickup mező, Porsche PPE és Tesla EPA.A Porsche PPE platformmodellek kivételével, amelyek nem kifejezetten tartalmaznak SiC-MOSFET-et (az első modell egy szilícium-dioxid alapú IGBT), más járműplatformok SiC-MOSFET sémákat alkalmaznak.
Univerzális Ultra energiaplatform
A 800 V-os modelltervezés több,a Great Wall Salon Jiagirong márkájú autója, a Beiqi pole Fox S HI verziója, az S01 és W01 ideális autója, a Xiaopeng G9, a BMW NK1A Changan Avita E11 azt nyilatkozta, hogy 800 V-os platformot fog szállítani, a BYD, a Lantu, a GAC 'an, a Mercedes-Benz, a Zero Run és az FAW Red Flag mellett a Volkswagen is bejelentette, hogy a 800 V-os technológiát kutatás-fejlesztés alatt áll.
Az 1. szintű beszállítók által megszerzett 800 V-os megrendelések helyzetéből kiindulva,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics és Huichuanminden bejelentett 800 V-os elektromos hajtásmegrendelés.
400 V-os feszültségű platform
A 400 V-os feszültségplatformon a SiC-MOSFET-eket elsősorban a nagy teljesítmény, teljesítménysűrűség és a nagy hatásfok miatt alkalmazzák.
A most tömeggyártásban lévő Tesla Model 3\Y motorhoz hasonlóan a BYD Hanhou motor csúcsteljesítménye körülbelül 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW). A NIO SiC-MOSFET termékeket is használni fog az ET7-től és a később felsorolt ET5-től kezdve. A csúcsteljesítmény 240 kW (ET5 210 kW).
Ezenkívül a nagy hatékonyság szempontjából egyes vállalatok a SiC-MOSFET kiegészítő elárasztású termékek megvalósíthatóságát is vizsgálják.
Közzététel ideje: 2023. július 8.
