Sammenlignet med silisiumbaserte krafthalvledere, har SiC (silisiumkarbid) krafthalvledere betydelige fordeler i byttefrekvens, tap, varmespredning, miniatyrisering, etc.
Med Teslas storskalaproduksjon av silisiumkarbid-invertere, har flere selskaper også begynt å lande silisiumkarbidprodukter.
SiC er så "utrolig", hvordan i all verden ble det laget?Hva er applikasjonene nå?La oss se!
01 ☆ Fødsel av en SiC
Som andre krafthalvledere inkluderer SiC-MOSFET industrikjedenden lange krystall – substrat – epitaksi – design – produksjon – emballasje-koblingen.
Lang krystall
Under den lange krystallforbindelsen, i motsetning til fremstillingen av Tira-metoden brukt av enkeltkrystallsilisium, bruker silisiumkarbid hovedsakelig fysisk gasstransportmetode (PVT, også kjent som forbedret Lly- eller frøkrystallsublimeringsmetode), høytemperatur kjemisk gassavsetningsmetode (HTCVD) ) kosttilskudd.
☆ Kjernetrinn
1. Karbonisk fast råmateriale;
2. Etter oppvarming blir karbidfaststoffet til gass;
3. Gass beveger seg til overflaten av frøkrystallen;
4. Gass vokser på overflaten av frøkrystallen til en krystall.
Bildekilde: "Teknisk punkt for å demontere PVT-vekst silisiumkarbid"
Ulikt håndverk har forårsaket to store ulemper sammenlignet med silisiumbasen:
For det første er produksjonen vanskelig og utbyttet lavt.Temperaturen til den karbonbaserte gassfasen vokser over 2300 ° C og trykket er 350 MPa.Hele den mørke boksen bæres ut, og den er lett å blande til urenheter.Utbyttet er lavere enn silisiumbasen.Jo større diameter, jo lavere utbytte.
Den andre er langsom vekst.Styringen av PVT-metoden er veldig 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 krystallblokken er stort sett 4 tommer og 6 tommer.
Den silisiumbaserte 72H kan vokse til en høyde på 2-3m, med diametre for det meste 6 tommer og 8-tommers ny produksjonskapasitet for 12 tommer.Derfor kalles silisiumkarbid ofte krystallbarre, og silisium blir en krystallpinne.
Karbid silisium krystall ingots
Substrat
Etter at den lange krystallen er ferdig, går den inn i produksjonsprosessen til substratet.
Etter målrettet kutting, sliping (grovsliping, finsliping), polering (mekanisk polering), ultrapresisjonspolering (kjemisk mekanisk polering), oppnås silisiumkarbidsubstratet.
Underlaget spiller hovedsakeligrollen til fysisk støtte, termisk ledningsevne og ledningsevne.Vanskeligheten med å behandle er at silisiumkarbidmaterialet er høyt, sprøtt og stabilt i kjemiske egenskaper.Derfor er tradisjonelle silisiumbaserte prosesseringsmetoder ikke egnet for silisiumkarbidsubstrat.
Kvaliteten på skjæreeffekten påvirker direkte ytelsen og utnyttelseseffektiviteten (kostnadene) til silisiumkarbidprodukter, så det kreves at den er liten, jevn tykkelse og lav kutting.
Akkurat nå,4-tommers og 6-tommers bruker hovedsakelig multi-line kutteutstyr,kutte silisiumkrystaller i tynne skiver med en tykkelse på ikke mer enn 1 mm.
Skjematisk diagram for skjæring med flere linjer
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 tatt i bruk.
I 2018 kjøpte Infineon Siltectra GmbH, som utviklet en innovativ prosess kjent som kaldcracking.
Sammenlignet med den tradisjonelle multi-wire kutteprosessen tap på 1/4,den kalde krakkingsprosessen mistet bare 1/8 av silisiumkarbidmaterialet.
Utvidelse
Siden silisiumkarbidmaterialet ikke kan lage kraftenheter direkte på underlaget, kreves det ulike enheter på forlengelseslaget.
Derfor, etter at produksjonen av substratet er fullført, vokser en spesifikk en krystall tynn film på substratet gjennom utvidelsesprosessen.
For tiden brukes hovedsakelig den kjemiske gassdeponeringsmetoden (CVD).
Design
Etter at underlaget er laget, går det inn i produktdesignstadiet.
For MOSFET er fokuset i designprosessen utformingen av sporet,på den ene siden for å unngå patentinngrep(Infineon, Rohm, ST, etc., har patentoppsett), og på den annen side tilmøte produksjonsevnen og produksjonskostnadene.
Wafer fabrikasjon
Etter at produktdesignet er fullført, går det inn i wafer-produksjonsstadiet,og prosessen er omtrent lik den for silisium, som hovedsakelig har følgende 5 trinn.
☆Trinn 1: Injiser masken
Et lag med silisiumoksid (SiO2) film er laget, fotoresisten er belagt, fotoresistmønsteret dannes gjennom trinnene homogenisering, eksponering, utvikling, etc., og figuren overføres til oksidfilmen gjennom etseprosessen.
☆Trinn 2: Ioneimplantasjon
Den maskerte silisiumkarbidplaten plasseres i en ioneimplantator, hvor aluminiumioner injiseres for å danne en dopingsone av P-type, og glødes for å aktivere de implanterte aluminiumionene.
Oksydfilmen fjernes, nitrogenioner injiseres i et spesifikt område av dopingområdet av P-typen for å danne et ledende område av N-typen av avløpet og kilden, og de implanterte nitrogenionene utglødes for å aktivere dem.
☆Trinn 3: Lag rutenettet
Lag rutenettet.I området mellom kilden og avløpet fremstilles portoksidlaget ved høytemperaturoksidasjonsprosess, og portelektrodelaget avsettes for å danne portkontrollstrukturen.
☆Trinn 4: Lage passiveringslag
Passivasjonslag lages.Legg inn et passiveringssjikt med gode isolasjonsegenskaper for å forhindre sammenbrudd i interelektroden.
☆Trinn 5: Lag avløpskildeelektroder
Lag avløp og kilde.Passiveringslaget er perforert og metall forstøves for å danne et avløp 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), høy temperatur vil påvirke gitterstrukturen til selve materialet, og vanskeligheten vil også påvirke utbyttet.
I tillegg, for MOSFET-komponenter,kvaliteten på gate-oksygen påvirker direkte kanalens mobilitet og gate-pålitelighet, fordi det er to typer silisium og karbonatomer i silisiumkarbidmaterialet.
Derfor er en spesiell gate medium vekstmetode nødvendig (et annet poeng er at silisiumkarbidplaten er gjennomsiktig, og posisjonsjusteringen på fotolitografistadiet er vanskelig å silisium).
Etter at wafer-produksjonen er fullført, kuttes den enkelte brikken til en bar brikke og kan pakkes i henhold til formålet.Den vanlige prosessen for diskrete enheter er TO-pakken.
650V CoolSiC™ MOSFET-er i TO-247-pakke
Foto: Infineon
Bilfeltet har høye kraft- og varmeavledningskrav, og noen ganger er det nødvendig å bygge brokretser direkte (halv bro eller full bro, 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), etc., og noen selskaper bruker et enkeltrørs parallellskjema.
Borgwarner Viper
Støtter dobbeltsidig vannkjøling og SiC-MOSFET
Infineon CoolSiC™ MOSFET-moduler
I motsetning til silisium,silisiumkarbidmoduler fungerer ved en høyere temperatur, omtrent 200 ° C.
Tradisjonell myk loddetemperatur smeltepunkttemperatur er lav, kan ikke oppfylle temperaturkravene.Derfor bruker silisiumkarbidmoduler ofte lavtemperatur sølvsintringssveiseprosess.
Etter at modulen er fullført, kan den brukes på delesystemet.
Tesla Model3 motorkontroller
Den nakne brikken kommer fra ST, egenutviklet pakke og elektrisk drivsystem
☆02 Søknadsstatus for SiC?
I bilbransjen brukes kraftenheter hovedsakelig iDCDC, OBC, motoromformere, elektriske klimaanlegginvertere, trådløs lading og andre delersom krever AC/DC rask konvertering (DCDC fungerer hovedsakelig som en rask bryter).
Foto: BorgWarner
Sammenlignet med silisiumbaserte materialer har SIC-materialer høyereKritisk skredsammenbrudd feltstyrke(3×106V/cm),bedre varmeledningsevne(49W/mK) ogbredere båndgap(3,26eV).
Jo bredere båndgapet er, jo mindre lekkasjestrøm og jo høyere effektivitet.Jo bedre termisk ledningsevne, jo høyere strømtetthet.Jo sterkere det kritiske skredsammenbruddsfeltet er, kan spenningsmotstanden til enheten forbedres.
Derfor, innen høyspenning ombord, kan MOSFET-er og SBD forberedt av silisiumkarbidmaterialer for å erstatte den eksisterende silisiumbaserte IGBT- og FRD-kombinasjonen effektivt forbedre kraften og effektiviteten,spesielt i høyfrekvente applikasjonsscenarier for å redusere koblingstap.
For tiden er det mest sannsynlig å oppnå storskala applikasjoner i motoromformere, etterfulgt av OBC og DCDC.
800V spenningsplattform
I 800V spenningsplattformen gjør fordelen med høy frekvens bedrifter mer tilbøyelige til å velge SiC-MOSFET-løsning.Derfor er det meste av dagens 800V elektronisk 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 bærer 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 pole Fox S HI-versjon, ideell bil S01 og W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 sa at det vil bære 800V plattform, i tillegg til BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen sa også 800V teknologi i forskning.
Fra situasjonen med 800V bestillinger innhentet av Tier1-leverandører,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics og Huichuanalle annonserte bestillinger på 800V elektrisk stasjon.
400V spenningsplattform
I 400V spenningsplattformen er SiC-MOSFET hovedsakelig i vurderingen av høy effekt og effekttetthet og høy effektivitet.
Slik som Tesla Model 3\Y-motoren som har blitt masseprodusert nå, toppeffekten til BYD Hanhou-motoren er omtrent 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO vil også bruke SiC-MOSFET-produkter fra ET7 og ET5 som vil bli listet opp senere.Toppeffekt er 240Kw (ET5 210Kw).
I tillegg, fra perspektivet til høy effektivitet, undersøker noen bedrifter også muligheten for ekstra flom SiC-MOSFET-produkter.
Innleggstid: Jul-08-2023