A szilícium alapú teljesítmény-félvezetőkkel összehasonlítva a SiC (szilícium-karbid) teljesítmény-félvezetők jelentős előnyökkel rendelkeznek a kapcsolási frekvenciában, a veszteségben, a hőelvezetésben, a miniatürizálásban stb.
A Tesla nagyüzemi szilícium-karbid invertereinek gyártásával több vállalat is megkezdte a szilícium-karbid termékek forgalmazását.
A SiC olyan „csodálatos”, hogy a fenébe készült?Melyek most az alkalmazások?Lássuk!
01 ☆ SiC születése
A többi teljesítmény-félvezetőhöz hasonlóan a SiC-MOSFET ipari lánc is magában foglaljaa hosszú kristály – hordozó – epitaxia – tervezés – gyártás – csomagolás link.
Hosszú kristály
A hosszú kristálykapcsolat során, ellentétben az egykristályos szilícium által használt Tira-módszerrel, a szilícium-karbid elsősorban fizikai gázszállítási módszert (PVT, más néven továbbfejlesztett Lly vagy oltókristály-szublimációs módszer), magas hőmérsékletű kémiai gázleválasztási módszert (HTCVD) alkalmaz. ) kiegészítők.
☆ Alaplépés
1. Szén-szilárd alapanyag;
2. Melegítés után a szilárd karbid gáz lesz;
3. A gáz a magkristály felszínére költözik;
4. A magkristály felületén a gáz kristállyá nő.
A kép forrása: „Technikai pont a PVT növekedési szilícium-karbid szétszereléséhez”
Az eltérő kivitelezés két nagy hátrányt okozott a szilícium alaphoz képest:
Először is, a termelés nehéz, és a hozam alacsony.A szénalapú gázfázis hőmérséklete 2300 °C fölé nő, a nyomás pedig 350 MPa.Az egész sötét doboz ki van hajtva, és könnyen belekeverhető a szennyeződésekbe.A hozam alacsonyabb, mint a szilícium bázisé.Minél nagyobb az átmérő, annál kisebb a hozam.
A második a lassú növekedés.A PVT módszer kormányzása nagyon lassú, sebessége kb. 0,3-0,5 mm/h, és 7 nap alatt 2 cm-t nőhet.A maximum csak 3-5 cm-t nőhet, a kristályrúd átmérője pedig többnyire 4 hüvelyk és 6 hüvelyk.
A szilícium alapú 72H 2-3 méter magasra nőhet, átmérője többnyire 6 hüvelyk, és 8 hüvelykes új gyártási kapacitása 12 hüvelyk.Ezért a szilícium-karbidot gyakran kristályrúdnak nevezik, és a szilícium kristályrúddá válik.
Karbid szilícium kristály rúd
Szubsztrát
Miután a hosszú kristály elkészült, belép a hordozó gyártási folyamatába.
Célzott vágás, köszörülés (durva köszörülés, finomcsiszolás), polírozás (mechanikai polírozás), ultraprecíziós polírozás (kémiai mechanikai polírozás) után a szilícium-karbid szubsztrátumot kapjuk.
A szubsztrát főleg játszika fizikai megtámasztás, a hővezetés és a vezetőképesség szerepe.A feldolgozás nehézsége az, hogy a szilícium-karbid anyag magas, ropogós és kémiai tulajdonságaiban stabil.Ezért a hagyományos szilícium alapú feldolgozási módszerek nem alkalmasak szilícium-karbid hordozóra.
A vágási hatás minősége közvetlenül befolyásolja a szilícium-karbid termékek teljesítményét és felhasználási hatékonyságát (költségét), ezért kicsi, egyenletes vastagság és alacsony vágás szükséges.
Jelenleg,4 hüvelykes és 6 hüvelykes főként többsoros vágóberendezést használ,szilíciumkristályok vékony, legfeljebb 1 mm vastag szeletekre vágása.
Többsoros vágási sematikus diagram
A jövőben a karbonizált szilícium lapkák méretének növekedésével az anyagfelhasználási igények növekedése is megnő, és fokozatosan alkalmazzák az olyan technológiákat is, mint a lézeres szeletelés és a hidegleválasztás.
2018-ban az Infineon felvásárolta a Siltectra GmbH-t, amely egy innovatív eljárást fejlesztett ki hideg krakkolás néven.
A hagyományos többhuzalos vágási folyamat vesztesége 1/4,a hideg krakkolási folyamat csak a szilícium-karbid anyag 1/8-át veszítette el.
Kiterjesztés
Mivel a szilícium-karbid anyag nem tud közvetlenül a szubsztrátumra erősíteni, különböző eszközökre van szükség a hosszabbító rétegen.
Ezért, miután a szubsztrát előállítása befejeződött, egy speciális egykristályos vékony filmet növesztenek a szubsztrátumon a kiterjesztési eljárással.
Jelenleg elsősorban a kémiai gázleválasztási módszert (CVD) alkalmazzák.
Tervezés
Az aljzat elkészítése után a termék tervezési szakaszába lép.
A MOSFET esetében a tervezési folyamat középpontjában a horony kialakítása áll,egyrészt a szabadalombitorlás elkerülése érdekében(Az Infineon, Rohm, ST stb. szabadalmaztatott elrendezésűek), másrészt pedigmegfelel a gyártási és gyártási költségeknek.
Ostya gyártás
A terméktervezés befejezése után az ostyagyártási szakaszba lép,és az eljárás nagyjából hasonló a szilíciuméhoz, amely főként a következő 5 lépésből áll.
☆ 1. lépés: Fecskendezze be a maszkot
Szilícium-oxid (SiO2) filmréteget készítenek, bevonják a fotorezisztet, homogenizálás, expozíció, előhívás stb. lépésekkel kialakítják a fotoreziszt mintát, majd a maratási eljárással a figura az oxidfilmre kerül.
☆ 2. lépés: Ionbeültetés
A maszkolt szilícium-karbid ostyát egy ionimplanterbe helyezik, ahol alumíniumionokat fecskendeznek be, hogy egy P-típusú adalékzónát képezzenek, majd lágyítva aktiválják a beültetett alumíniumionokat.
Az oxidfilmet eltávolítják, nitrogénionokat injektálnak a P-típusú adalékolási tartomány egy meghatározott tartományába, hogy kialakítsák a lefolyó és forrás N-típusú vezető tartományát, és a beültetett nitrogénionokat hőkezeléssel aktiválják.
☆ 3. lépés: Készítse el a rácsot
Készítse el a rácsot.A forrás és a lefolyó közötti területen a kapu-oxid réteget magas hőmérsékletű oxidációs eljárással készítik elő, és a kapu elektróda rétegét lerakják a kapuvezérlő szerkezet kialakítására.
☆ 4. lépés: Passzivációs rétegek készítése
Passziváló réteg készül.Helyezzen fel egy jó szigetelési tulajdonságú passzivációs réteget, hogy megakadályozza az elektródák közötti törést.
☆ 5. lépés: Készítsen elvezető elektródákat
Készítsen lefolyót és forrást.A passziváló réteget perforálják, és fémet porlasztanak, hogy lefolyót és forrást képezzenek.
Fotó forrása: Xinxi Capital
Bár a szilícium-karbid anyagok jellemzői miatt kevés különbség van az eljárási szint és a szilícium alapú között,az ionimplantációt és a lágyítást magas hőmérsékletű környezetben kell elvégezni(1600 ° C-ig), a magas hőmérséklet befolyásolja magának az anyagnak a rácsszerkezetét, és a nehézség a hozamot is befolyásolja.
Ezenkívül a MOSFET komponensekheza kapu oxigén minősége közvetlenül befolyásolja a csatorna mozgékonyságát és a kapu megbízhatóságát, mert a szilícium-karbid anyagban kétféle szilícium és szénatom található.
Ezért speciális kapuközeg-tenyésztési módszerre van szükség (másik szempont, hogy a szilícium-karbid lemez átlátszó, és a helyzetbeállítás a fotolitográfiás szakaszban nehezen szilikonozható).
Az ostyagyártás befejezése után az egyedi chipet csupasz chipre vágják és a célnak megfelelően csomagolják.A diszkrét eszközök általános folyamata a TO-csomag.
650 V-os CoolSiC™ MOSFET-ek TO-247 csomagban
Fotó: Infineon
Az autóipar nagy teljesítmény- és hőelvezetési követelményekkel rendelkezik, és néha közvetlenül hídáramkörök (félhíd vagy teljes híd, vagy közvetlenül diódákkal csomagolt) építése szükséges.
Ezért gyakran közvetlenül modulokba vagy rendszerekbe csomagolják.Az egyetlen modulba csomagolt chipek száma szerint az elterjedt forma 1 az 1-ben (BorgWarner), 6 az 1-ben (Infineon) stb., és egyes cégek egycsöves párhuzamos sémát alkalmaznak.
Borgwarner Vipera
Támogatja a kétoldalas vízhűtést és a SiC-MOSFET-et
Infineon CoolSiC™ MOSFET modulok
A szilíciummal ellentétbenA szilícium-karbid modulok magasabb hőmérsékleten, körülbelül 200 ° C-on működnek.
A hagyományos lágyforrasz hőmérséklet olvadáspont hőmérséklete alacsony, nem felel meg a hőmérsékleti követelményeknek.Ezért a szilícium-karbid modulok gyakran alacsony hőmérsékletű ezüst szinterezési hegesztési eljárást alkalmaznak.
A modul elkészülte után alkalmazható az alkatrészrendszerre.
Tesla Model3 motorvezérlő
A csupasz chip az ST-ből, saját fejlesztésű csomagból és elektromos hajtásrendszerből származik
☆02 SiC alkalmazási állapota?
Az autóiparban elsősorban az erőátviteli eszközöket használjákDCDC, OBC, motor inverterek, elektromos légkondicionáló inverterek, vezeték nélküli töltés és egyéb alkatrészekamelyek AC/DC gyors konverziót igényelnek (a DCDC főként gyorskapcsolóként működik).
Fotó: BorgWarner
A szilícium alapú anyagokhoz képest a SIC anyagok magasabbakkritikus lavina letörés térerőssége(3 × 106 V/cm),jobb hővezető képesség(49W/mK) ésszélesebb sávrés(3,26eV).
Minél szélesebb a sávszélesség, annál kisebb a szivárgási áram és annál nagyobb a hatásfok.Minél jobb a hővezető képesség, annál nagyobb az áramsűrűség.Minél erősebb a kritikus lavinaletörési mező, annál javítható a készülék feszültségellenállása.
Ezért a fedélzeti nagyfeszültség területén a szilícium-karbid anyagokkal készített MOSFET-ek és SBD-k a meglévő szilícium alapú IGBT és FRD kombináció helyett hatékonyan javíthatják a teljesítményt és a hatékonyságot,különösen nagyfrekvenciás alkalmazási forgatókönyvekben a kapcsolási veszteségek csökkentése érdekében.
Jelenleg nagy valószínűséggel a motorinverterekben valósítja meg a nagyszabású alkalmazásokat, ezt követi az OBC és a DCDC.
800V feszültségű platform
A 800 V-os feszültségplatformban a magas frekvencia előnye hajlamosabbá teszi a vállalkozásokat a SiC-MOSFET megoldás választására.Ezért a legtöbb jelenlegi 800V-os elektronikus vezérlés tervezése SiC-MOSFET.
A platformszintű tervezés magában foglaljamodern E-GMP, GM Otenergy – pickup field, Porsche PPE és Tesla EPA.A Porsche PPE platformmodellek kivételével, amelyek nem tartalmaznak kifejezetten SiC-MOSFET-et (az első modell szilícium-dioxid alapú IGBT), más járműplatformok SiC-MOSFET sémákat alkalmaznak.
Univerzális Ultra energiaplatform
A 800 V-os modelltervezés több,a Great Wall Salon márka Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI változat, ideális autó S01 és W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 azt mondta, hogy viszi 800V-os platform mellett BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, a Volkswagen azt is mondta, 800V-os technológia a kutatásban.
A Tier1 beszállítók által kapott 800 V-os megrendelések helyzetéből,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics és Huichuanaz összes bejelentett 800 V-os elektromos meghajtó megrendelés.
400V feszültségű platform
A 400 V-os feszültségplatformban a SiC-MOSFET elsősorban a nagy teljesítményt és teljesítménysűrűséget, valamint a nagy hatékonyságot veszi figyelembe.
Mint például a most tömegesen gyártott Tesla Model 3\Y motor, a BYD Hanhou motor csúcsteljesítménye körülbelül 200 Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), a NIO az ET7-től kezdve SiC-MOSFET termékeket is fog használni. és az ET5, amely később lesz felsorolva.A csúcsteljesítmény 240 Kw (ET5 210 Kw).
Ezen túlmenően, a nagy hatékonyság szemszögéből egyes vállalkozások vizsgálják a kiegészítő elárasztó SiC-MOSFET termékek megvalósíthatóságát is.
Feladás időpontja: 2023-08-08