Sammenlignet med silisiumbaserte krafthalvledere har SiC (silisiumkarbid) krafthalvledere betydelige fordeler når det gjelder svitsjefrekvens, tap, varmespredning, miniatyrisering, etc.
Med Teslas storskalaproduksjon av silisiumkarbidomformere har flere selskaper også begynt å lande silisiumkarbidprodukter.
SiC er så «fantastisk», hvordan i all verden ble det laget? Hva er bruksområdene nå? La oss se!
01 ☆ Fødselen til en SiC
Som andre krafthalvledere inkluderer SiC-MOSFET-industrikjedenkoblingen mellom den lange krystallen – substratet – epitaksien – designen – produksjonen – emballasjen.
Lang krystall
I motsetning til Tira-metoden som brukes av enkeltkrystallsilisium, bruker silisiumkarbid hovedsakelig fysisk gasstransportmetode (PVT, også kjent som forbedret Lly eller frøkrystallsublimeringsmetode) og tilleggsmetode for høytemperaturkjemisk gassavsetning (HTCVD) under langkrystallkobling.
☆ Kjernetrinn
1. Karbonholdig fast råmateriale;
2. Etter oppvarming blir det faste karbidet til gass;
3. Gass beveger seg til overflaten av krystallen;
4. Gass vokser på overflaten av frøkrystallen til en krystall.
Bildekilde: «Teknisk punkt for å demontere PVT-vekst silisiumkarbid»
Ulik håndverksmessig utførelse har forårsaket to store ulemper sammenlignet med silikonbasen:
For det første er produksjonen vanskelig og utbyttet lavt.Temperaturen i den karbonbaserte gassfasen stiger til over 2300 °C, og trykket er 350 MPa. Hele den mørke boksen er gjennomført, og den blander seg lett inn i urenheter. Utbyttet er lavere enn silisiumbasen. Jo større diameter, desto lavere utbytte.
Det andre er langsom vekst.Styringen av PVT-metoden er svært langsom, hastigheten er omtrent 0,3–0,5 mm/t, og den kan vokse 2 cm på 7 dager. Maksimum kan bare vokse 3–5 cm, og diameteren på krystallbarren er stort sett 4 tommer og 6 tommer.
Den silisiumbaserte 72H-en kan vokse til en høyde på 2–3 meter, med diametre på for det meste 15 cm og en ny produksjonskapasitet på 30 cm.Derfor kalles silisiumkarbid ofte krystallbarre, og silisium blir en krystallpinne.
Karbid silisiumkrystallbarrer
Underlag
Etter at den lange krystallen er ferdig, går den inn i produksjonsprosessen til substratet.
Etter målrettet kutting, sliping (grovsliping, finsliping), polering (mekanisk polering) og ultrapresisjonspolering (kjemisk-mekanisk polering), oppnås silisiumkarbidsubstratet.
Underlaget spiller hovedsakeligrollen til fysisk støtte, varmeledningsevne og konduktivitet.Vanskeligheten med bearbeidingen er at silisiumkarbidmaterialet har høye, sprø og stabile kjemiske egenskaper. Derfor er tradisjonelle silisiumbaserte bearbeidingsmetoder ikke egnet for silisiumkarbidsubstrat.
Kvaliteten på skjæreeffekten påvirker direkte ytelsen og utnyttelseseffektiviteten (kostnaden) til silisiumkarbidprodukter, så det kreves at de er små, jevnt tykke og har lav skjæreevne.
For tiden,4-tommers og 6-tommers bruker hovedsakelig flerlinjet skjæreutstyr,skjæring av silisiumkrystaller i tynne skiver med en tykkelse på ikke mer enn 1 mm.
Skjematisk diagram for flerlinjers skjæring
I fremtiden, med økningen i størrelsen på karboniserte silisiumskiver, vil økningen i krav til materialutnyttelse øke, og teknologier som laserskjæring og kaldseparasjon vil også gradvis bli brukt.
I 2018 kjøpte Infineon opp Siltectra GmbH, som utviklet en innovativ prosess kjent som kaldkrakking.
Sammenlignet med den tradisjonelle flertrådsskjæreprosessen tap på 1/4,Kaldkrakkingsprosessen mistet bare 1/8 av silisiumkarbidmaterialet.
Forlengelse
Siden silisiumkarbidmaterialet ikke kan lage kraftenheter direkte på substratet, kreves det forskjellige enheter på forlengelseslaget.
Derfor, etter at produksjonen av substratet er fullført, dyrkes en spesifikk tynn enkeltkrystallfilm på substratet gjennom forlengelsesprosessen.
For tiden brukes hovedsakelig kjemisk gassavsetningsmetoden (CVD).
Design
Etter at underlaget er laget, går det inn i produktdesignfasen.
For MOSFET er fokuset i designprosessen utformingen av sporet,på den ene siden for å unngå patentkrenkelse(Infineon, Rohm, ST osv. har patentlayout), og på den annen side tildekke produksjonskostnadene og produksjonskostnadene.
Waferfabrikasjon
Etter at produktdesignet er fullført, går det inn i waferproduksjonsfasen,og prosessen er omtrent lik den for silisium, som hovedsakelig har følgende 5 trinn.
☆Trinn 1: Injiser masken
Et lag med silisiumoksid (SiO2)-film lages, fotoresisten belegges, fotoresistmønsteret dannes gjennom trinnene homogenisering, eksponering, fremkalling osv., og figuren overføres til oksidfilmen gjennom etseprosessen.
☆Trinn 2: Ionimplantasjon
Den maskerte silisiumkarbidskiven plasseres i en ioneimplantat, hvor aluminiumioner injiseres for å danne en P-type dopingsone, og glødes for å aktivere de implanterte aluminiumionene.
Oksidfilmen fjernes, nitrogenioner injiseres i et spesifikt område av P-type dopingregionen for å danne et N-type ledende område av dren og kilden, og de implanterte nitrogenionene glødes for å aktivere dem.
☆Trinn 3: Lag rutenettet
Lag rutenettet. I området mellom kilden og drenet fremstilles gate-oksidlaget ved hjelp av en høytemperaturoksidasjonsprosess, og gate-elektrodelaget avsettes for å danne gate-kontrollstrukturen.
☆Trinn 4: Lage passiveringslag
Passiveringslaget er laget. Avsett et passiveringslag med gode isolasjonsegenskaper for å forhindre sammenbrudd mellom elektrodene.
☆Trinn 5: Lag dreneringselektroder
Lag dren og kilde. Passiveringslaget perforeres, og metall forstøves for å danne et dren og en kilde.
Bildekilde: Xinxi Capital
Selv om det er liten forskjell mellom prosessnivået og silisiumbasert, på grunn av egenskapene til silisiumkarbidmaterialer,Ionimplantasjon og gløding må utføres i et miljø med høy temperatur(opptil 1600 °C), vil høy temperatur påvirke selve materialets gitterstruktur, og vanskelighetsgraden vil også påvirke utbyttet.
I tillegg, for MOSFET-komponenter,Kvaliteten på oksygenet i porten påvirker direkte kanalens mobilitet og portens pålitelighet, fordi det finnes to typer silisium- og karbonatomer i silisiumkarbidmaterialet.
Derfor kreves en spesiell vekstmetode for portmedium (et annet poeng er at silisiumkarbidarket er gjennomsiktig, og posisjonsjusteringen på fotolitografistadiet er vanskelig for silisium).
Etter at waferproduksjonen er fullført, kuttes den individuelle brikken til en bar brikke og kan pakkes i henhold til formålet. Den vanlige prosessen for diskrete enheter er TO-pakking.
650V CoolSiC™ MOSFET-er i TO-247-pakke
Foto: Infineon
Bilindustrien har høye krav til effekt og varmespredning, og noen ganger er det nødvendig å bygge brokretser direkte (halvbro eller fullbro, eller direkte pakket med dioder).
Derfor pakkes det ofte direkte inn i moduler eller systemer. I henhold til antall brikker pakket i en enkelt modul, er den vanlige formen 1 i 1 (BorgWarner), 6 i 1 (Infineon), osv., og noen selskaper bruker en parallell ordning med ett rør.
Borgwarner Viper
Støtter dobbeltsidig vannkjøling og SiC-MOSFET
Infineon CoolSiC™ MOSFET-moduler
I motsetning til silisium,silisiumkarbidmoduler opererer ved en høyere temperatur, omtrent 200 °C.
Tradisjonell mykloddetemperatur har lav smeltetemperatur og kan derfor ikke oppfylle temperaturkravene. Derfor bruker silisiumkarbidmoduler ofte lavtemperatur sølvsintringssveiseprosess.
Etter at modulen er fullført, kan den brukes på delesystemet.
Tesla Model 3 motorstyring
Den bare brikken kommer fra ST, egenutviklet pakke og elektrisk drivsystem
☆02 Søknadsstatus for SiC?
Innen bilindustrien brukes strømforsyninger hovedsakelig iDCDC, OBC, motoromformere, elektriske klimaanleggsomformere, trådløs lading og andre delersom krever rask AC/DC-konvertering (DCDC fungerer hovedsakelig som en hurtigbryter).
Foto: BorgWarner
Sammenlignet med silisiumbaserte materialer har SIC-materialer høyerekritisk feltstyrke for nedbrytning av snøskred(3×106V/cm),bedre varmeledningsevne(49 W/mK) ogbredere båndgap(3,26 eV).
Jo bredere båndgapet er, desto mindre lekkasjestrømmen og desto høyere effektivitet. Jo bedre varmeledningsevnen er, desto høyere strømtettheten. Jo sterkere det kritiske skredfelt er, desto bedre kan spenningsmotstanden til enheten.
Derfor kan MOSFET-er og SBD-er fremstilt av silisiumkarbidmaterialer for å erstatte den eksisterende silisiumbaserte IGBT- og FRD-kombinasjonen effektivt forbedre effekt og effektivitet innen høyspenning om bord.spesielt i høyfrekvente applikasjonsscenarier for å redusere koblingstap.
For tiden er det mest sannsynlig at det vil oppnå storskalaapplikasjoner i motoromformere, etterfulgt av OBC og DCDC.
800V spenningsplattform
På 800V spenningsplattformen gjør fordelen med høy frekvens bedrifter mer tilbøyelige til å velge SiC-MOSFET-løsninger. Derfor er det meste av dagens 800V elektroniske kontrollplanlegging SiC-MOSFET.
Planlegging på plattformnivå inkluderermoderne E-GMP, GM Otenergy – pickup-felt, Porsche PPE og Tesla EPA.Bortsett fra Porsche PPE-plattformmodeller som ikke eksplisitt har SiC-MOSFET (den første modellen er silikabasert IGBT), bruker andre kjøretøyplattformer SiC-MOSFET-ordninger.
Universal Ultra energiplattform
800V modellplanlegging er mer,Great Wall Salon-merket Jiagirong, Beiqi-pol Fox S HI-versjonen, ideell bil S01 og W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 sa at den vil ha 800V-plattformen, i tillegg til BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen sa også at 800V-teknologi er i forskning.
Fra situasjonen med 800V-bestillinger innhentet av Tier1-leverandører,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics og Huichuanalle annonserte bestillinger på 800V elektriske drivverk.
400V spenningsplattform
I 400V spenningsplattformen er SiC-MOSFET hovedsakelig vurdert med tanke på høy effekt og effekttetthet og høy effektivitet.
For eksempel Tesla Model 3/Y-motoren som nå er masseprodusert, har BYD Hanhou-motoren en toppeffekt på omtrent 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW). NIO vil også bruke SiC-MOSFET-produkter fra ET7 og ET5, som vil bli listet opp senere. Toppeffekten er 240 kW (ET5 210 kW).
I tillegg, fra et høyeffektivitetsperspektiv, utforsker noen bedrifter også muligheten for å fylle SiC-MOSFET-produkter med ekstra innsprøytning.
Publisert: 08.07.2023
