У поређењу са полупроводницима на бази силицијума, полупроводници од силицијум карбида (SiC) имају значајне предности у фреквенцији пребацивања, губицима, дисипацији топлоте, минијатуризацији итд.
Са великом производњом силицијум карбидних инвертора од стране Тесле, све више компанија је почело да набавља производе од силицијум карбида.
SiC је тако „невероватан“, како је уопште направљен? Које су сада примене? Да видимо!
01 ☆ Рођење SiC-а
Као и други енергетски полупроводници, индустријски ланац SiC-MOSFET укључујеВеза дуги кристал – подлога – епитаксија – дизајн – производња – паковање.
Дуги кристал
Током дугог кристалног везивања, за разлику од припреме Тира методе коју користи монокристални силицијум, силицијум карбид углавном усваја метод физичког транспорта гаса (PVT, такође познат као побољшани Lly или метод сублимације кристала семена), допуњујући метод хемијског таложења гаса на високој температури (HTTVD).
☆ Основни корак
1. Угљенична чврста сировина;
2. Након загревања, чврста карбидска супстанца постаје гас;
3. Гас се креће ка површини кристала семена;
4. Гас расте на површини кристалног семена у кристал.
Извор слике: „Техничка тачка за демонтажу силицијум карбида за раст ПВТ“
Различита израда је проузроковала два велика недостатка у поређењу са силиконском базом:
Прво, производња је тешка, а принос низак.Температура гасне фазе на бази угљеника расте изнад 2300 °C, а притисак је 350 MPa. Цела тамна кутија се изводи и лако се меша са нечистоћама. Принос је нижи него код силицијумске базе. Што је већи пречник, то је нижи принос.
Други је спор раст.Управљање PVT методом је веома споро, брзина је око 0,3-0,5 мм/х, и може порасти 2 цм за 7 дана. Максимално може порасти само 3-5 цм, а пречник кристалног ингота је углавном 4 инча и 6 инча.
72H на бази силицијума може нарасти до висине од 2-3 метра, са пречником углавном од 6 инча и новим производним капацитетом од 8 инча за 12 инча.Због тога се силицијум карбид често назива кристалним инготом, а силицијум постаје кристални штапић.
Инготи од карбидних силицијумских кристала
Подлога
Након што је дугачак кристал завршен, он улази у процес производње подлоге.
Након циљаног сечења, брушења (грубо брушење, фино брушење), полирања (механичко полирање), ултрапрецизног полирања (хемијско-механичко полирање), добија се силицијум карбид подлога.
Подлога углавном играулога физичке потпоре, топлотне проводљивости и проводљивости.Тешкоћа обраде је у томе што је силицијум карбидни материјал високе чврстоће, хрскав и стабилан у хемијским својствима. Стога, традиционалне методе обраде на бази силицијума нису погодне за подлогу силицијум карбида.
Квалитет ефекта сечења директно утиче на перформансе и ефикасност коришћења (трошкове) производа од силицијум карбида, тако да је потребно да буде мали, равномерне дебљине и ниског сечења.
Тренутно,4-инчни и 6-инчни углавном користе опрему за сечење са више линија,сечење силицијумских кристала на танке кришке дебљине не веће од 1 мм.
Шематски дијаграм вишелинијског сечења
У будућности, са повећањем величине карбонизованих силицијумских плочица, повећаће се и захтеви за коришћење материјала, а постепено ће се примењивати и технологије попут ласерског сечења и хладног одвајања.
Године 2018, Инфинеон је купио Силтектра ГмбХ, која је развила иновативни процес познат као хладно крековање.
У поређењу са традиционалним процесом сечења више жица, губитак од 1/4,Процес хладног крекања изгубио је само 1/8 силицијум карбидног материјала.
Продужетак
Пошто материјал силицијум карбида не може директно да прави уређаје за напајање на подлози, потребни су различити уређаји на продужном слоју.
Стога, након што је производња подлоге завршена, специфични танки филм монокристала се узгаја на подлози кроз процес продужења.
Тренутно се углавном користи поступак хемијског таложења гасовима (CVD).
Дизајн
Након што је подлога направљена, улази се у фазу дизајнирања производа.
Код MOSFET-а, фокус процеса пројектовања је дизајн жлеба,с једне стране, да би се избегло кршење патента(Инфинеон, Ром, СТ, итд., имају патентни распоред), а с друге стране изадовољити трошкове производње и производње.
Израда плочица
Након што је дизајн производа завршен, он улази у фазу производње плочица,и процес је отприлике сличан процесу силицијума, који углавном има следећих 5 корака.
☆Корак 1: Убризгајте маску
Направљен је слој филма силицијум оксида (SiO2), премазан је фоторезист, образац фоторезиста се формира кроз кораке хомогенизације, експозиције, развијања итд., а фигура се преноси на оксидни филм кроз процес нагризања.
☆Корак 2: Јонска имплантација
Маскирана силицијум карбидна плочица се ставља у јонски имплантер, где се јони алуминијума убризгавају да би се формирала зона допирања П-типа, и жаре се да би се активирали имплантирани јони алуминијума.
Оксидни филм се уклања, јони азота се убризгавају у специфичну област допирајућег региона П-типа да би се формирао проводни регион Н-типа одвода и извора, а имплантирани јони азота се жаре да би се активирали.
☆Корак 3: Направите мрежу
Направите мрежу. У подручју између извора и одвода, слој оксида капије се припрема процесом оксидације на високој температури, а слој електроде капије се таложи да би се формирала структура управљања капијом.
☆Корак 4: Прављење слојева пасивације
Направљен је пасивациони слој. Нанесите пасивациони слој са добрим изолационим карактеристикама како бисте спречили међуелектродни пробој.
☆Корак 5: Направите електроде за одвод-извор
Направити одвод и извор. Пасивациони слој је перфориран, а метал се распршује да би се формирали одвод и извор.
Извор фотографије: Ксинки Цапитал
Иако постоји мала разлика између нивоа процеса и силицијума, због карактеристика силицијум карбидних материјала,Јонска имплантација и жарење морају се изводити у окружењу са високом температуром(до 1600 °C), висока температура ће утицати на структуру решетке самог материјала, а тешкоћа ће такође утицати на принос.
Поред тога, за MOSFET компоненте,Квалитет кисеоника на капији директно утиче на мобилност канала и поузданост капије, јер постоје две врсте атома силицијума и угљеника у материјалу силицијум карбида.
Због тога је потребна посебна метода раста капијског медијума (друга ствар је да је силицијум карбидни лим транспарентан, а поравнање положаја у фази фотолитографије је тешко силицијумирати).
Након што је производња плочице завршена, појединачни чип се сече у голи чип и може се паковати у складу са наменом. Уобичајени поступак за дискретне уређаје је ТО паковање.
650V CoolSiC™ MOSFET-ови у TO-247 кућишту
Фотографија: Инфинеон
Аутомобилска индустрија има високе захтеве за снагу и дисипацију топлоте, а понекад је потребно директно изградити мостовна кола (полу-мост или пуни мост, или директно упакована са диодама).
Због тога се често директно пакује у модуле или системе. Према броју чипова упакованих у једном модулу, уобичајени облик је 1 у 1 (BorgWarner), 6 у 1 (Infineon) итд., а неке компаније користе паралелну шему са једном цеви.
Боргварнер Випер
Подржава двострано водено хлађење и SiC-MOSFET
Инфинеон ЦоолСиЦ™ МОСФЕТ модули
За разлику од силицијума,Силицијум-карбидни модули раде на вишој температури, око 200°C.
Традиционална температура топљења меког лема је ниска и не може да задовољи температурне захтеве. Због тога се за модуле силицијум карбида често користи поступак заваривања синтеровањем сребра на ниским температурама.
Након што је модул завршен, може се применити на систем делова.
Контролер мотора Тесла Модел3
Голи чип долази из ST-а, самостално развијеног пакета и електричног погонског система
☆02 Статус примене SiC-а?
У аутомобилској индустрији, уређаји за напајање се углавном користе уDCDC, OBC, инвертори мотора, инвертори електричних клима уређаја, бежично пуњење и други деловикоји захтевају брзу AC/DC конверзију (DCDC углавном делује као брзи прекидач).
Фотографија: БоргВорнер
У поређењу са материјалима на бази силицијума, SIC материјали имају већукритична јачина поља распада лавине(3×106V/цм),боља топлотна проводљивост(49W/mK) ишири енергетски јаз(3,26 еВ).
Што је шири енергетски јаз, мања је струја цурења и већа је ефикасност. Што је боља топлотна проводљивост, већа је густина струје. Што је јаче критично поље лавинског пробоја, може се побољшати отпорност уређаја на напон.
Стога, у области високог напона на возилу, MOSFET-ови и SBD-ови припремљени силицијум карбидним материјалима који замењују постојећу комбинацију IGBT-а и FRD-а на бази силицијума могу ефикасно побољшати снагу и ефикасност.посебно у сценаријима примене на високим фреквенцијама како би се смањили губици при прекидању.
Тренутно је највероватније да ће се постићи велике примене у моторним инверторима, а затим следе OBC и DCDC.
Платформа напона 800V
На платформи напона од 800V, предност високе фреквенције чини предузећа склонијим да бирају SiC-MOSFET решење. Стога, већина тренутних електронских контрола од 800V користи SiC-MOSFET.
Планирање на нивоу платформе укључујемодерни E-GMP, GM Otenergy – поље за пикапе, Porsche PPE и Tesla EPA.Осим модела Porsche PPE платформе који експлицитно не носе SiC-MOSFET (први модел је IGBT на бази силицијум диоксида), остале платформе возила усвајају SiC-MOSFET шеме.
Универзална ултра енергетска платформа
Планирање модела од 800V је више,Бренд салона Грејт Вол Ђијагиронг, верзија Беики пола Фокс С ХИ, идеалан аутомобил С01 и В01, Сјаопенг Г9, БМВ НК1Чанган Авита Е11 је рекао да ће носити платформу 800В, поред БИД-а, Ланту, ГАЦ 'ан, Мерцедес-Бенц, зеро Ран, ФАВ Ред Флаг, Фолксваген је такође рекао да је технологија 800В у истраживању.
Из ситуације са поруџбинама од 800V које су добили добављачи Tier1-а,БоргВорнер, Випаи Технолоџи, ЗФ, Јунајтед Електроникс и Хуичуансве најављене поруџбине електричних погона од 800V.
Платформа напона 400V
На платформи напона од 400V, SiC-MOSFET се углавном фокусира на велику снагу и густину снаге и високу ефикасност.
На пример, код Теслиног модела 3\Y мотора који се тренутно масовно производи, вршна снага BYD Hanhou мотора је око 200 kW (Тесла 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW), NIO ће такође користити SiC-MOSFET производе почев од ET7 и ET5 који ће бити наведени касније. Вршна снага је 240 kW (ET5 210 kW).
Поред тога, са становишта високе ефикасности, нека предузећа такође истражују изводљивост помоћних SiC-MOSFET производа са поплавама.
Време објаве: 08.07.2023.
