En comparación cos semicondutores de potencia baseados en silicio, os semicondutores de potencia de SiC (carburo de silicio) teñen vantaxes significativas en canto a frecuencia de conmutación, perda, disipación de calor, miniaturización, etc.
Coa produción a grande escala de inversores de carburo de silicio por parte de Tesla, máis empresas tamén comezaron a comercializar produtos de carburo de silicio.
O SiC é tan "incrible", como se fabricou? Cales son as aplicacións agora? A ver!
01 ☆ Nacemento dun SiC
Do mesmo xeito que outros semicondutores de potencia, a cadea industrial SiC-MOSFET inclúea ligazón longa cristal – substrato – epitaxia – deseño – fabricación – envasado.
Cristal longo
Durante a longa conexión cristalina, a diferenza da preparación do método Tira empregado polo silicio monocristalino, o carburo de silicio adopta principalmente o método de transporte físico de gas (PVT, tamén coñecido como método de sublimación de cristal semente ou Lly mellorado), suplementos do método de deposición química de gas a alta temperatura (HTCVD).
☆ Paso central
1. Materia prima sólida carbónica;
2. Despois do quecemento, o sólido de carburo convértese en gas;
3. O gas móvese á superficie do cristal semente;
4. O gas medra na superficie do cristal semente e convértese nun cristal.
Fonte da imaxe: "Punto técnico para desmontar o carburo de silicio de crecemento PVT"
A diferente elaboración provocou dúas grandes desvantaxes en comparación coa base de silicona:
En primeiro lugar, a produción é difícil e o rendemento é baixo.A temperatura da fase gasosa a base de carbono supera os 2300 °C e a presión é de 350 MPa. Realízase toda a caixa escura e é doado mesturar con impurezas. O rendemento é menor que o da base de silicio. Canto maior sexa o diámetro, menor será o rendemento.
O segundo é o crecemento lento.A gobernanza do método PVT é moi lenta, a velocidade é duns 0,3-0,5 mm/h e pode medrar 2 cm en 7 días. O máximo só pode medrar de 3 a 5 cm e o diámetro do lingote de cristal é principalmente de 4 e 6 polgadas.
O 72H, baseado en silicio, pode medrar ata unha altura de 2 a 3 m, con diámetros principalmente de 6 polgadas e unha nova capacidade de produción de 8 polgadas para 12 polgadas.Polo tanto, o carburo de silicio adoita chamarse lingote de cristal e o silicio convértese nunha vara de cristal.
Lingotes de cristal de carburo de silicio
Substrato
Unha vez completado o cristal longo, entra no proceso de produción do substrato.
Despois dun corte específico, esmerilado (esmerilado en bruto, esmerilado fino), pulido (pulido mecánico) e pulido de ultraprecisión (pulido químico-mecánico), obtense o substrato de carburo de silicio.
O substrato xoga principalmenteo papel do soporte físico, a condutividade térmica e a condutividade.A dificultade do procesamento reside en que o material de carburo de silicio ten propiedades químicas altas, crocantes e estables. Polo tanto, os métodos tradicionais de procesamento baseados en silicio non son axeitados para substratos de carburo de silicio.
A calidade do efecto de corte afecta directamente o rendemento e a eficiencia de utilización (custo) dos produtos de carburo de silicio, polo que se require que sexan pequenos, de grosor uniforme e de baixo corte.
Na actualidade,4 polgadas e 6 polgadas empregan principalmente equipos de corte multilínea,cortando cristais de silicio en láminas finas cun grosor non superior a 1 mm.
Diagrama esquemático de corte multilínea
No futuro, co aumento do tamaño das obleas de silicio carbonizado, aumentarán os requisitos de utilización de materiais e tamén se aplicarán gradualmente tecnoloxías como o corte por láser e a separación en frío.
En 2018, Infineon adquiriu Siltectra GmbH, que desenvolveu un proceso innovador coñecido como craqueamento en frío.
En comparación coa perda tradicional do proceso de corte multifío de 1/4,O proceso de craqueamento en frío só perdeu 1/8 do material de carburo de silicio.
Extensión
Dado que o material de carburo de silicio non pode fabricar dispositivos de alimentación directamente sobre o substrato, requírense varios dispositivos na capa de extensión.
Polo tanto, unha vez completada a produción do substrato, cultívase unha película delgada de monocristal específica sobre o substrato mediante o proceso de extensión.
Na actualidade, utilízase principalmente o método de deposición química de gases (CVD).
Deseño
Despois de fabricar o substrato, entra na fase de deseño do produto.
Para os MOSFET, o foco do proceso de deseño é o deseño da ranura,por unha banda, para evitar a infracción de patentes(Infineon, Rohm, ST, etc., teñen un deseño patentado) e, por outra banda,cumprir coa fabricabilidade e os custos de fabricación.
Fabricación de obleas
Unha vez rematado o deseño do produto, este entra na fase de fabricación da oblea,e o proceso é aproximadamente semellante ao do silicio, que ten principalmente os seguintes 5 pasos.
☆Paso 1: Inxectar a máscara
Fábrase unha capa de película de óxido de silicio (SiO2), revístese a fotorresina, fórmase o patrón de fotorresina mediante os pasos de homoxeneización, exposición, revelado, etc., e a figura transfírese á película de óxido mediante o proceso de gravado.
☆Paso 2: Implantación de ións
A oblea de carburo de silicio enmascarada colócase nun implantador de ións, onde se inxectan ións de aluminio para formar unha zona de dopaxe de tipo P e se recocen para activar os ións de aluminio implantados.
A película de óxido elimínase, os ións de nitróxeno inxéctanse nunha rexión específica da rexión de dopaxe de tipo P para formar unha rexión condutora de tipo N do dreno e da fonte, e os ións de nitróxeno implantados recocénse para activalos.
☆Paso 3: Crea a grella
Fai a grella. Na área entre a fonte e o dreno, a capa de óxido da porta prepárase mediante un proceso de oxidación a alta temperatura e a capa de eléctrodo da porta deposítase para formar a estrutura de control da porta.
☆Paso 4: Facer capas de pasivación
Faise unha capa de pasivación. Depositar unha capa de pasivación con boas características de illamento para evitar a rotura entre eléctrodos.
☆Paso 5: Facer os eléctrodos de drenaxe
Fai un dreno e unha fonte. A capa de pasivación está perforada e o metal é pulverizado para formar un dreno e unha fonte.
Fonte da foto: Xinxi Capital
Aínda que hai pouca diferenza entre o nivel de proceso e o baseado en silicio, debido ás características dos materiais de carburo de silicio,A implantación e o recocido iónico deben levarse a cabo nun ambiente de alta temperatura(ata 1600 °C), as altas temperaturas afectarán á estrutura reticular do propio material e a dificultade tamén afectará ao rendemento.
Ademais, para os compoñentes MOSFET,A calidade do osíxeno da porta afecta directamente a mobilidade do canal e á fiabilidade da porta, porque hai dous tipos de átomos de silicio e de carbono no material de carburo de silicio.
Polo tanto, requírese un método especial de crecemento do medio de porta (outro punto é que a folla de carburo de silicio é transparente e a aliñación da posición na fase de fotolitografía é difícil para o silicio).
Unha vez finalizada a fabricación da oblea, o chip individual córtase nun chip espido e pódese empaquetar segundo o propósito. O proceso común para os dispositivos discretos é o empaquetado TO.
MOSFET CoolSiC™ de 650 V en encapsulado TO-247
Foto: Infineon
O campo da automoción ten altos requisitos de potencia e disipación de calor, e ás veces é necesario construír circuítos de ponte directamente (media ponte ou ponte completa, ou empaquetados directamente con díodos).
Polo tanto, adoita empaquetarse directamente en módulos ou sistemas. Segundo o número de chips empaquetados nun só módulo, a forma común é 1 en 1 (BorgWarner), 6 en 1 (Infineon), etc., e algunhas empresas empregan un esquema paralelo dun só tubo.
Víbora de Borgwarner
Admite refrixeración por auga de dobre cara e SiC-MOSFET
Módulos MOSFET Infineon CoolSiC™
A diferenza do silicio,Os módulos de carburo de silicio funcionan a unha temperatura máis alta, uns 200 °C.
O punto de fusión da soldadura branda tradicional é baixo e non pode cumprir os requisitos de temperatura. Polo tanto, os módulos de carburo de silicio adoitan usar un proceso de soldadura por sinterización de prata a baixa temperatura.
Unha vez completado o módulo, pódese aplicar ao sistema de pezas.
Controlador de motor Tesla Model 3
O chip espido provén de ST, paquete de desenvolvemento propio e sistema de accionamento eléctrico
☆02 Estado da solicitude de SiC?
No campo da automoción, os dispositivos de enerxía utilízanse principalmente enDCDC, OBC, inversores de motor, inversores de aire acondicionado eléctrico, carga sen fíos e outras pezasque requiren unha conversión rápida de CA/CC (a CC actúa principalmente como un interruptor rápido).
Foto: BorgWarner
En comparación cos materiais baseados en silicio, os materiais SIC teñen unha maiorintensidade do campo de ruptura de avalanchas críticas(3×10⁶V/cm),mellor condutividade térmica(49 W/mK) ebanda prohibida máis ampla(3,26 eV).
Canto maior sexa a banda prohibida, menor será a corrente de fuga e maior será a eficiencia. Canto mellor sexa a condutividade térmica, maior será a densidade de corrente. Canto máis forte sexa o campo crítico de ruptura por avalancha, mellor poderá mellorar a resistencia á tensión do dispositivo.
Polo tanto, no campo da alta tensión a bordo, os MOSFET e os SBD preparados con materiais de carburo de silicio para substituír a combinación existente de IGBT e FRD baseada en silicio poden mellorar eficazmente a potencia e a eficiencia,especialmente en escenarios de aplicacións de alta frecuencia para reducir as perdas de conmutación.
Na actualidade, o máis probable é que consiga aplicacións a grande escala en inversores de motor, seguidos de OBC e DCDC.
Plataforma de tensión de 800 V
Na plataforma de tensión de 800 V, a vantaxe da alta frecuencia fai que as empresas sexan máis propensas a escoller unha solución SiC-MOSFET. Polo tanto, a maior parte da planificación actual de control electrónico de 800 V usa SiC-MOSFET.
A planificación a nivel de plataforma inclúeE-GMP moderno, GM Otenergy (campo de pickup), Porsche EPI e Tesla EPA.Agás os modelos da plataforma Porsche PPE que non levan explicitamente SiC-MOSFET (o primeiro modelo é un IGBT baseado en sílice), outras plataformas de vehículos adoptan esquemas SiC-MOSFET.
Plataforma de enerxía universal Ultra
A planificación do modelo de 800 V é máis,a marca Great Wall Salon Jiagirong, a versión Beiqi Pole Fox S HI, o coche ideal S01 e W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 dixo que levará a plataforma de 800V, ademais de BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen tamén dixo que a tecnoloxía de 800V está en investigación.
Da situación dos pedidos de 800 V obtidos por provedores de Nivel 1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics e Huichuantodos os pedidos anunciados de accionamentos eléctricos de 800 V.
Plataforma de tensión de 400 V
Na plataforma de tensión de 400 V, o SiC-MOSFET ten en conta principalmente a alta potencia e densidade de potencia e a alta eficiencia.
Como o motor Tesla Model 3\Y que se produciu en masa agora, a potencia máxima do motor BYD Hanhou é duns 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW). NIO tamén empregará produtos SiC-MOSFET a partir do ET7 e o ET5 que se listarán máis adiante. A potencia máxima é de 240 kW (ET5 210 kW).
Ademais, desde a perspectiva da alta eficiencia, algunhas empresas tamén están a explorar a viabilidade de produtos SiC-MOSFET de inundación auxiliar.
Data de publicación: 08-07-2023
