Palyginti su silicio pagrindu pagamintais galios puslaidininkiais, SiC (silicio karbido) galios puslaidininkiai turi didelių pranašumų, susijusių su perjungimo dažniu, nuostoliais, šilumos išsklaidymu, miniatiūrizavimu ir kt.
Tesla gaminant didelio masto silicio karbido inverterius, daugiau įmonių taip pat pradėjo tiekti silicio karbido gaminius.
SiC yra toks „nuostabus“, kaip po velnių jis buvo pagamintas?Kokios dabar yra programos?Pažiūrėkime!
01 ☆ SiC gimimas
Kaip ir kiti galios puslaidininkiai, SiC-MOSFET pramonės grandinė apimailgas kristalas – substratas – epitaksija – dizainas – gamyba – pakuotė.
Ilgas krištolas
Per ilgą kristalų ryšį, skirtingai nuo tiros metodo, naudojamo monokristaliniu siliciu, silicio karbidas daugiausia naudoja fizinį dujų transportavimo metodą (PVT, taip pat žinomą kaip patobulintas Lly arba sėklinių kristalų sublimacijos metodas), aukštos temperatūros cheminio dujų nusodinimo metodą (HTCVD). ) papildai.
☆ Pagrindinis žingsnis
1. Anglies kieta žaliava;
2. Po kaitinimo karbido kieta medžiaga tampa dujomis;
3. Dujų judėjimas į sėklinio kristalo paviršių;
4. Sėklinio kristalo paviršiuje dujos išauga į kristalą.
Paveikslėlio šaltinis: „Techninis taškas PVT augimo silicio karbidui išardyti“
Skirtingas meistriškumas, palyginti su silicio pagrindu, sukėlė du didelius trūkumus:
Pirma, gamyba yra sunki, o derlius mažas.Anglies pagrindu pagamintų dujų fazės temperatūra pakyla virš 2300 ° C, o slėgis yra 350 MPa.Visa tamsi dėžutė yra išnešama, ir ją lengva sumaišyti su priemaišomis.Išeiga yra mažesnė nei silicio bazės.Kuo didesnis skersmuo, tuo mažesnis derlius.
Antrasis yra lėtas augimas.PVT metodo valdymas yra labai lėtas, greitis apie 0,3-0,5 mm/h, o per 7 dienas gali užaugti 2 cm.Didžiausias gali augti tik 3–5 cm, o krištolo luito skersmuo dažniausiai yra 4 coliai ir 6 coliai.
Silicio pagrindu pagamintas 72H gali užaugti iki 2–3 m aukščio, jo skersmuo dažniausiai yra 6 coliai ir 8 colių naujas 12 colių gamybos pajėgumas.Todėl silicio karbidas dažnai vadinamas krištoliniu luitu, o silicis tampa krištolo lazdele.
Karbido silicio kristalo luitai
Substratas
Užbaigus ilgą kristalą, jis patenka į substrato gamybos procesą.
Po tikslinio pjovimo, šlifavimo (šiurkščiavilnių šlifavimo, smulkaus šlifavimo), poliravimo (mechaninio poliravimo), itin tikslaus poliravimo (cheminio mechaninio poliravimo), gaunamas silicio karbido substratas.
Pagrindas daugiausia vaidinafizinės atramos, šilumos laidumo ir laidumo vaidmuo.Apdorojimo sunkumas yra tas, kad silicio karbido medžiaga yra aukšta, traški ir stabili savo cheminėmis savybėmis.Todėl tradiciniai silicio pagrindo apdorojimo metodai netinka silicio karbido substratui.
Pjovimo efekto kokybė tiesiogiai įtakoja silicio karbido gaminių našumą ir panaudojimo efektyvumą (sąnaudas), todėl reikalaujama, kad jis būtų mažas, vienodo storio ir mažas pjovimas.
Dabar,4 colių ir 6 colių dažniausiai naudojama kelių linijų pjovimo įranga,silicio kristalų pjaustymas plonais griežinėliais, kurių storis ne didesnis kaip 1 mm.
Kelių linijų pjovimo schema
Ateityje, didėjant karbonizuoto silicio plokštelių dydžiui, didės medžiagų panaudojimo reikalavimai, taip pat palaipsniui bus taikomos tokios technologijos kaip pjaustymas lazeriu ir šaltasis atskyrimas.
2018 m. „Infineon“ įsigijo „Siltectra GmbH“, kuri sukūrė novatorišką procesą, žinomą kaip šaltasis krekingas.
Palyginti su tradiciniu kelių laidų pjovimo procesu, nuostoliai yra 1/4,šaltojo krekingo proceso metu neteko tik 1/8 silicio karbido medžiagos.
Pratęsimas
Kadangi silicio karbido medžiaga negali pagaminti maitinimo įrenginių tiesiai ant pagrindo, ant prailginimo sluoksnio reikia įvairių įtaisų.
Todėl pasibaigus substrato gamybai, prailginimo būdu ant substrato užauginama specifinė vieno kristalo plona plėvelė.
Šiuo metu daugiausia naudojamas cheminis dujų nusodinimo metodas (CVD).
Dizainas
Pagaminus substratą, jis patenka į gaminio projektavimo etapą.
MOSFET projektavimo procese pagrindinis dėmesys skiriamas griovelio dizainui,viena vertus, siekiant išvengti patento pažeidimo(Infineon, Rohm, ST ir kt. turi patentinį išdėstymą), o kita vertusatitinka gamybos ir gamybos sąnaudas.
Vaflių gamyba
Užbaigus gaminio dizainą, jis patenka į plokštelių gamybos etapą,ir procesas yra maždaug panašus į silicį, kurį daugiausia sudaro šie 5 etapai.
☆ 1 veiksmas: sušvirkškite kaukę
Padaromas silicio oksido (SiO2) plėvelės sluoksnis, padengiamas fotorezistas, homogenizavimo, ekspozicijos, ryškinimo ir kt. etapais formuojamas fotorezisto raštas, o ėsdinimo būdu figūra perkeliama į oksido plėvelę.
☆2 veiksmas: jonų implantavimas
Užmaskuota silicio karbido plokštelė dedama į jonų implantatorių, į kurį įpurškiami aliuminio jonai, suformuojant P tipo dopingo zoną, ir atkaitinami, kad suaktyvintų implantuotus aliuminio jonus.
Oksido plėvelė pašalinama, azoto jonai įšvirkščiami į tam tikrą P tipo dopingo srities sritį, kad susidarytų N tipo laidi drenažo ir šaltinio sritis, o implantuoti azoto jonai atkaitinami, kad jie suaktyvėtų.
☆ 3 veiksmas: sukurkite tinklelį
Padarykite tinklelį.Teritorijoje tarp šaltinio ir drenažo vartų oksido sluoksnis paruošiamas oksidacijos aukštoje temperatūroje būdu, o vartų elektrodo sluoksnis nusodinamas, kad susidarytų vartų valdymo struktūra.
☆ 4 veiksmas: pasyvavimo sluoksnių sudarymas
Padaromas pasyvinis sluoksnis.Uždėkite pasyvų sluoksnį su geromis izoliacinėmis savybėmis, kad išvengtumėte tarpelektrodų gedimo.
☆5 veiksmas: pagaminkite nutekėjimo šaltinio elektrodus
Padarykite kanalizaciją ir šaltinį.Pasyvavimo sluoksnis yra perforuotas, o metalas purškiamas, kad susidarytų kanalizacija ir šaltinis.
Nuotraukų šaltinis: Xinxi Capital
Nors proceso lygis ir silicio pagrindo lygis mažai skiriasi, dėl silicio karbido medžiagų savybių,jonų implantacija ir atkaitinimas turi būti atliekami aukštos temperatūros aplinkoje(iki 1600 ° C), aukšta temperatūra paveiks pačios medžiagos grotelių struktūrą, o sunkumas taip pat turės įtakos derliui.
Be to, MOSFET komponentams,vartų deguonies kokybė tiesiogiai veikia kanalo mobilumą ir vartų patikimumą, nes silicio karbido medžiagoje yra dviejų rūšių silicio ir anglies atomų.
Todėl reikalingas specialus vartų terpės auginimo būdas (kitas dalykas yra tai, kad silicio karbido lakštas yra skaidrus, o padėties išlyginimas fotolitografijos etape yra sunkiai silicis).
Užbaigus plokštelių gamybą, atskiras lustas supjaustomas į pliką lustą ir gali būti supakuotas pagal paskirtį.Įprastas atskirų įrenginių procesas yra TO paketas.
650 V CoolSiC™ MOSFET TO-247 pakuotėje
Nuotrauka: Infineon
Automobilių sričiai keliami dideli galios ir šilumos išsklaidymo reikalavimai, todėl kartais reikia tiesiogiai tiesti tilto grandines (pusį tiltą arba pilną tiltą arba tiesiogiai supakuotą su diodais).
Todėl jis dažnai pakuojamas tiesiai į modulius ar sistemas.Pagal lustų, supakuotų viename modulyje, skaičių, įprasta forma yra 1 in 1 (BorgWarner), 6 in 1 (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
Skirtingai nuo silicio,silicio karbido moduliai veikia aukštesnėje temperatūroje, apie 200 °C.
Tradicinė minkštojo lydmetalio temperatūra lydymosi temperatūra yra žema, negali atitikti temperatūros reikalavimų.Todėl silicio karbido moduliuose dažnai naudojamas žemos temperatūros sidabro sukepinimo suvirinimo procesas.
Užbaigus modulį, jį galima pritaikyti dalių sistemai.
Tesla Model3 variklio valdiklis
Plikas lustas gaunamas iš ST, pačių sukurto paketo ir elektrinės pavaros sistemos
☆02 SiC taikymo būsena?
Automobilių srityje daugiausia naudojami galios įrenginiaiDCDC, OBC, variklių keitikliai, elektriniai oro kondicionavimo keitikliai, belaidis įkrovimas ir kitos dalyskuriems reikalingas greitas AC/DC konvertavimas (DCDC daugiausia veikia kaip greitas jungiklis).
Nuotrauka: BorgWarner
Palyginti su silicio pagrindo medžiagomis, SIC medžiagos yra didesnėskritinis lavinos gedimo lauko stiprumas(3 × 106 V/cm),geresnis šilumos laidumas(49W/mK) irplatesnis juostos tarpas(3,26eV).
Kuo platesnis juostos tarpas, tuo mažesnė nuotėkio srovė ir didesnis efektyvumas.Kuo geresnis šilumos laidumas, tuo didesnis srovės tankis.Kuo stipresnis kritinis lavinos gedimo laukas, tuo galima pagerinti įrenginio atsparumą įtampai.
Todėl transporto priemonėje sumontuotos aukštos įtampos srityje MOSFET ir SBD, paruošti iš silicio karbido medžiagų, siekiant pakeisti esamą silicio IGBT ir FRD derinį, gali veiksmingai pagerinti galią ir efektyvumą,ypač aukšto dažnio taikymo scenarijuose, siekiant sumažinti perjungimo nuostolius.
Šiuo metu labiausiai tikėtina, kad jis bus pritaikytas didelio masto variklių keitikliams, o po to seka OBC ir DCDC.
800V įtampos platforma
800 V įtampos platformoje aukšto dažnio pranašumas verčia įmones labiau rinktis SiC-MOSFET sprendimą.Todėl dauguma dabartinių 800V elektroninio valdymo planavimo SiC-MOSFET.
Platformos lygio planavimas apimamodernus E-GMP, GM Otenergy – pikapas, Porsche PPE ir Tesla EPA.Išskyrus Porsche PPE platformų modelius, kuriuose nėra aiškiai SiC-MOSFET (pirmasis modelis yra silicio dioksido pagrindu pagamintas IGBT), kitos transporto priemonių platformos naudoja SiC-MOSFET schemas.
Universali Ultra 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 sakė, kad ji atliks 800 V platformą, be BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen taip pat sakė, kad 800 V technologija moksliniuose tyrimuose.
Atsižvelgiant į 800 V užsakymus, kuriuos gavo Tier1 tiekėjai,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics ir Huichuanvisų paskelbtų 800 V elektros pavaros užsakymų.
400V įtampos platforma
400 V įtampos platformoje SiC-MOSFET daugiausiai atsižvelgiama į didelę galią ir galios tankį bei didelį efektyvumą.
Pavyzdžiui, dabar masiškai gaminamas Tesla Model 3\Y variklis, didžiausia BYD Hanhou variklio galia yra apie 200 kW (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO taip pat naudos SiC-MOSFET produktus nuo ET7. ir ET5, kurie bus išvardyti vėliau.Didžiausia galia yra 240 Kw (ET5 210 Kw).
Be to, siekdamos didelio efektyvumo, kai kurios įmonės taip pat tiria pagalbinių SiC-MOSFET produktų užtvindymo galimybes.
Paskelbimo laikas: 2023-08-08