Palyginti su silicio pagrindu pagamintais galios puslaidininkiais, SiC (silicio karbido) galios puslaidininkiai turi didelių pranašumų perjungimo dažnio, nuostolių, šilumos išsklaidymo, miniatiūrizacijos ir kt. srityse.
„Tesla“ pradėjus didelio masto silicio karbido keitiklių gamybą, daugiau įmonių taip pat pradėjo tiekti silicio karbido gaminius.
SiC yra toks „nuostabus“, kaip, po galais, jis buvo pagamintas? Kokios dabar jo taikymo sritys? Pažiūrėkime!
01 ☆ SiC gimimas
Kaip ir kiti galios puslaidininkiai, SiC-MOSFET pramonės grandinė apimaIlgojo kristalo – substrato – epitaksijos – projektavimo – gamybos – pakavimo jungtis.
Ilgas kristalas
Ilgojo kristalinio sujungimo metu, skirtingai nei monokristalinio silicio paruošimo Tira metodu, silicio karbidas daugiausia naudoja fizikinį dujų transportavimo metodą (PVT, dar vadinamą patobulintu Lly arba sėklų kristalų sublimacijos metodu), papildantį aukštos temperatūros cheminio dujų nusodinimo metodą (HTCVD).
☆ Pagrindinis žingsnis
1. Anglies kietoji žaliava;
2. Po kaitinimo karbido kietoji medžiaga virsta dujomis;
3. Dujos juda į sėklos kristalo paviršių;
4. Dujos užauga ant užsėlinio kristalo paviršiaus ir virsta kristalu.
Paveikslėlio šaltinis: „Techninis PVT augimo silicio karbido išardymo punktas“
Skirtinga meistriškumo kokybė, palyginti su silicio pagrindu, sukėlė du pagrindinius trūkumus:
Pirma, gamyba yra sudėtinga, o derlius mažas.Anglies pagrindu sukurtos dujų fazės temperatūra pakyla virš 2300 °C, o slėgis – 350 MPa. Visa tai atliekama tamsioje dėžėje, todėl lengva maišyti su priemaišomis. Išeiga yra mažesnė nei silicio pagrindo. Kuo didesnis skersmuo, tuo mažesnė išeiga.
Antrasis – lėtas augimas.PVT metodo valdymas yra labai lėtas, greitis yra apie 0,3–0,5 mm/h, o per 7 dienas jis gali paaugti 2 cm. Maksimalus augimas gali būti tik 3–5 cm, o kristalo luito skersmuo dažniausiai yra 4 coliai ir 6 coliai.
Silicio pagrindu pagamintas 72H gali užaugti iki 2–3 m aukščio, dažniausiai 6 colių ir 8 colių skersmens, o naujas gamybos pajėgumas – 12 colių.Todėl silicio karbidas dažnai vadinamas kristaliniu luitu, o silicis tampa kristaline lazdele.
Karbido silicio kristalų luitai
Substratas
Užbaigus ilgą kristalą, jis patenka į substrato gamybos procesą.
Po tikslinio pjovimo, šlifavimo (grubus šlifavimas, smulkus šlifavimas), poliravimo (mechaninis poliravimas), itin tikslaus poliravimo (cheminis mechaninis poliravimas) gaunamas silicio karbido substratas.
Substratas daugiausia vaidinafizinės atramos, šilumos laidumo ir laidumo vaidmuo.Apdorojimo sudėtingumas yra tas, kad silicio karbido medžiaga yra aukštos kokybės, traški ir cheminėmis savybėmis stabili. Todėl tradiciniai silicio pagrindu pagaminti apdorojimo metodai netinka silicio karbido substratui.
Pjovimo efekto kokybė tiesiogiai veikia silicio karbido gaminių našumą ir panaudojimo efektyvumą (kainą), todėl jie turi būti maži, vienodo storio ir mažai pjaunantys.
Šiuo metu4 colių ir 6 colių daugiausia naudojama daugialinijinė pjovimo įranga,silicio kristalų pjaustymas plonais, ne storesniais kaip 1 mm, griežinėliais.
Daugiaeilės pjovimo schema
Ateityje, didėjant karbonizuotų silicio plokštelių dydžiui, didės ir medžiagų panaudojimo reikalavimai, palaipsniui bus taikomos tokios technologijos kaip lazerinis pjaustymas ir šaltasis atskyrimas.
2018 m. „Infineon“ įsigijo „Siltectra GmbH“, kuri sukūrė novatorišką procesą, vadinamą šaltuoju krekingu.
Palyginti su tradiciniu daugiavieliniu pjovimo procesu, nuostoliai siekia 1/4,Šaltojo krekingo metu buvo prarasta tik 1/8 silicio karbido medžiagos.
Pratęsimas
Kadangi silicio karbido medžiaga negali tiesiogiai gaminti maitinimo įtaisų ant pagrindo, ant išplėtimo sluoksnio reikalingi įvairūs įtaisai.
Todėl, baigus substrato gamybą, ant substrato prailginimo proceso metu auginama specifinė monokristalinė plona plėvelė.
Šiuo metu daugiausia naudojamas cheminio dujų nusodinimo metodas (CVD).
Dizainas
Pagaminus pagrindą, jis pereina į gaminio projektavimo etapą.
MOSFET atveju projektavimo proceso metu daugiausia dėmesio skiriama griovelio konstrukcijai,viena vertus, siekiant išvengti patentų pažeidimo(„Infineon“, „Rohm“, ST ir kt. turi patentuotą išdėstymą), o kita vertus,atitikti gaminamumo ir gamybos sąnaudas.
Vaflių gamyba
Užbaigus gaminio dizainą, jis pereina į plokštelių gamybos etapą,ir procesas yra maždaug panašus į silicio procesą, kurį daugiausia sudaro šie 5 etapai.
☆ 1 veiksmas: įšvirkškite kaukę
Pagaminamas silicio oksido (SiO2) plėvelės sluoksnis, padengiamas fotorezistas, homogenizavimo, ekspozicijos, ryškinimo ir kt. etapais suformuojamas fotorezisto raštas, o ėsdinimo būdu figūra perkeliama į oksido plėvelę.
☆ 2 veiksmas: jonų implantacija
Užmaskuota silicio karbido plokštelė dedama į jonų implantatorių, kur įpurškiami aliuminio jonai, kad susidarytų P tipo legiravimo zona, ir atkaitinama, kad aktyvuotų implantuotus aliuminio jonus.
Oksido plėvelė pašalinama, azoto jonai įpurškiami į tam tikrą P tipo legiravimo srities sritį, kad susidarytų N tipo laidus dreno ir šaltinio regionas, o implantuoti azoto jonai atkaitinami, kad juos suaktyvintų.
☆ 3 žingsnis: Padarykite tinklelį
Sukurkite tinklelį. Tarp šaltinio ir dreno aukštoje temperatūroje oksiduojant paruošiamas vartų oksido sluoksnis, o tada nusodinamas vartų elektrodo sluoksnis, suformuojantis vartų valdymo struktūrą.
☆4 žingsnis: Pasyvavimo sluoksnių gamyba
Sukuriamas pasyvavimo sluoksnis. Užtepkite pasyvavimo sluoksnį, pasižymintį geromis izoliacinėmis savybėmis, kad būtų išvengta tarpelektrodinių jungčių pažeidimo.
☆5 veiksmas: Pagaminkite išleidimo-šaltinio elektrodus
Sukurkite dreną ir šaltinį. Pasivavimo sluoksnis yra perforuotas, o metalas yra purškiamas, kad susidarytų drenažas ir šaltinis.
Nuotraukų šaltinis: Xinxi Capital
Nors dėl silicio karbido medžiagų savybių proceso lygis ir silicio pagrindu pagamintas produktas mažai kuo skiriasi,Jonų implantacija ir atkaitinimas turi būti atliekami aukštoje temperatūroje(iki 1600 ° C), aukšta temperatūra paveiks pačios medžiagos grotelių struktūrą, o sudėtingumas taip pat paveiks išeigą.
Be to, MOSFET komponentams,Vartų deguonies kokybė tiesiogiai veikia kanalo judrumą ir vartų patikimumą, nes silicio karbido medžiagoje yra dviejų rūšių silicio ir anglies atomai.
Todėl reikalingas specialus vartų terpės augimo metodas (kitas dalykas yra tai, kad silicio karbido lakštas yra skaidrus, o fotolitografijos etape sunku suderinti padėtį silicio pagrindu).
Užbaigus plokštelės gamybą, atskiras lustas supjaustomas į gryną lustą, kuris gali būti supakuotas pagal paskirtį. Įprastas atskirų įrenginių pakavimo procesas yra TO.
650 V „CoolSiC™“ MOSFET tranzistoriai TO-247 korpuse
Nuotrauka: Infineon
Automobilių pramonėje keliami dideli galios ir šilumos išsklaidymo reikalavimai, todėl kartais reikia tiesiogiai kurti tiltines grandines (pusiau tiltą arba pilną tiltą, arba tiesiogiai supakuotas su diodais).
Todėl jis dažnai pakuojamas tiesiai į modulius arba sistemas. Pagal viename modulyje supakuotų lustų skaičių, įprasta forma yra 1 viename („BorgWarner“), 6 viename („Infineon“) ir kt., o kai kurios įmonės naudoja vieno vamzdžio lygiagrečią schemą.
Borgwarner Viper
Palaiko dvipusį vandens aušinimą ir SiC-MOSFET
Infineon CoolSiC™ MOSFET moduliai
Kitaip nei silicio,Silicio karbido moduliai veikia aukštesnėje temperatūroje, apie 200 °C.
Tradicinė minkštojo litavimo temperatūra yra žema ir neatitinka temperatūros reikalavimų. Todėl silicio karbido moduliams dažnai naudojamas žemos temperatūros sidabro sukepinimo suvirinimo procesas.
Baigus modulį, jį galima pritaikyti dalių sistemoje.
Tesla Model 3 variklio valdiklis
Plikas lustas yra iš ST, savarankiškai sukurto paketo ir elektrinės pavaros sistemos
☆02 SiC paraiškos būsena?
Automobilių srityje galios įtaisai daugiausia naudojamiDCDC, OBC, variklių keitikliai, elektrinių oro kondicionierių keitikliai, belaidis įkrovimas ir kitos dalyskuriems reikalingas greitas AC/DC konvertavimas (DC daugiausia veikia kaip greitas jungiklis).
Nuotrauka: BorgWarner
Palyginti su silicio pagrindu pagamintomis medžiagomis, SIC medžiagos pasižymi didesniukritinio lavinos gedimo lauko stiprumas(3 × 10⁶ V/cm),geresnis šilumos laidumas(49 W/mK) irplatesnis juostos tarpas(3,26 eV).
Kuo platesnė draudžiamoji zona, tuo mažesnė nuotėkio srovė ir didesnis efektyvumas. Kuo geresnis šilumos laidumas, tuo didesnis srovės tankis. Kuo stipresnis kritinis lavinos pramušimo laukas, tuo galima pagerinti įrenginio įtampos varžą.
Todėl, kalbant apie integruotas aukštos įtampos sistemas, silicio karbido medžiagomis paruošti MOSFET ir SBD, skirti pakeisti esamus silicio pagrindu pagamintus IGBT ir FRD derinius, gali veiksmingai pagerinti galią ir efektyvumą.ypač aukšto dažnio taikymo scenarijuose, siekiant sumažinti perjungimo nuostolius.
Šiuo metu labiausiai tikėtina, kad jis bus plačiai pritaikytas variklių keitikliuose, po to – OBC ir DCDC.
800 V įtampos platforma
800 V įtampos platformoje aukšto dažnio pranašumas verčia įmones labiau rinktis SiC-MOSFET sprendimus. Todėl dauguma dabartinių 800 V elektroninio valdymo planų yra skirti SiC-MOSFET.
Platformos lygio planavimas apimamodernus E-GMP, „GM Otenergy“ – pikapų laukas, „Porsche PPE“ ir „Tesla EPA“.Išskyrus „Porsche PPE“ platformos modelius, kuriuose nėra aiškiai nurodytas SiC-MOSFET (pirmasis modelis yra silicio dioksido pagrindu pagamintas IGBT), kitos automobilių platformos naudoja SiC-MOSFET schemas.
Universali itin galinga energijos platforma
800 V modelio planavimas yra daugiau,„Great Wall Salon“ prekės ženklas „Jiagirong“, „Beiqi pole Fox S HI“ versija, idealus automobilis S01 ir W01, „Xiaopeng G9“, BMW NK1„Changan Avita E11“ teigė, kad važiuos 800 V platforma, be BYD, „Lantu“, GAC „an“, „Mercedes-Benz“, „Zero Run“, FAW „Red Flag“, „Volkswagen“ taip pat teigė, kad atlieka 800 V technologijos tyrimus.
Iš 800 V užsakymų, kuriuos gavo 1 pakopos tiekėjai, situacijos,„BorgWarner“, „Wipai Technology“, „ZF“, „United Electronics“ ir „Huichuan“visų paskelbtų 800 V elektrinių pavarų užsakymų.
400 V įtampos platforma
400 V įtampos platformoje SiC-MOSFET daugiausia dėmesio skiria didelei galiai, galios tankiui ir dideliam efektyvumui.
Pavyzdžiui, „Tesla Model 3\Y“ variklio, kuris dabar gaminamas masiškai, maksimali BYD Hanhou variklio galia yra apie 200 kW („Tesla“ – 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD – 180 kW), NIO taip pat naudos SiC-MOSFET gaminius, pradedant nuo ET7 ir ET5, kurie bus išvardyti vėliau. Maksimali galia yra 240 kW (ET5 – 210 kW).
Be to, siekiant didelio efektyvumo, kai kurios įmonės taip pat nagrinėja pagalbinių SiC-MOSFET gaminių užtvindymo galimybes.
Įrašo laikas: 2023 m. liepos 8 d.
