En comparación cos semicondutores de potencia baseados en silicio, os semicondutores de potencia SiC (carburo de silicio) teñen vantaxes significativas na frecuencia de conmutación, perdas, disipación de calor, miniaturización, etc.
Coa produción a gran escala de inversores de carburo de silicio por parte de Tesla, máis empresas tamén comezaron a desembarcar produtos de carburo de silicio.
SiC é tan "increíble", como se fixo?Cales son as aplicacións agora?Vexamos!
01 ☆ Nacemento dun SiC
Do mesmo xeito que outros semicondutores de potencia, a cadea industrial SiC-MOSFET inclúeo vínculo longo cristal – substrato – epitaxia – deseño – fabricación – embalaxe.
Cristal longo
Durante o longo enlace de cristal, a diferenza da preparación do método Tira usado polo silicio monocristal, o carburo de silicio adopta principalmente o método de transporte físico de gas (PVT, tamén coñecido como método de sublimación de cristal de semente ou Lly mellorado), método de deposición química de gas a alta temperatura (HTCVD). ) suplementos.
☆ Paso básico
1. Materia prima sólida carbónica;
2. Despois do quecemento, o sólido de carburo convértese en gas;
3. O gas móvese á superficie do cristal da semente;
4. O gas medra na superficie do cristal semente nun cristal.
Fonte da imaxe: "Punto técnico para desmontar carburo de silicio de crecemento PVT"
A artesanía diferente causou dúas desvantaxes importantes en comparación coa base de silicio:
En primeiro lugar, a produción é difícil e o rendemento é baixo.A temperatura da fase gaseosa baseada en carbono crece por riba dos 2300 ° C e a presión é de 350 MPa.Realízase toda a caixa escura e é fácil de mesturar con impurezas.O rendemento é menor que a base de silicio.Canto maior sexa o diámetro, menor será o rendemento.
O segundo é un crecemento lento.A gobernanza do método PVT é moi lenta, a velocidade é de aproximadamente 0,3-0,5 mm/h e pode crecer 2 cm en 7 días.O máximo só pode crecer 3-5 cm, e o diámetro do lingote de cristal é principalmente de 4 polgadas e 6 polgadas.
O 72H baseado en silicio pode crecer ata unha altura de 2-3 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 silicio de carburo
Substrato
Despois de completar o cristal longo, entra no proceso de produción do substrato.
Despois do corte selectivo, moenda (moenda en bruto, moenda fina), pulido (pulido mecánico), pulido de ultra-precisión (pulido mecánico químico), 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 é que o material de carburo de silicio é alto, crocante e estable nas propiedades químicas.Polo tanto, os métodos tradicionais de procesamento baseados en silicio non son axeitados para o substrato 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 un espesor pequeno e uniforme e un corte baixo.
Agora mesmo,4 polgadas e 6 polgadas usan principalmente equipos de corte multiliña,cortando cristais de silicio en rodajas finas cun espesor non superior a 1 mm.
Diagrama esquemático de corte multiliña
No futuro, co aumento do tamaño das obleas de silicio carbonizado, aumentará o aumento dos 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 craqueo en frío.
En comparación co proceso de corte multi-fíos tradicional perda de 1/4,o proceso de craqueo 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 enerxía directamente sobre o substrato, son necesarios varios dispositivos na capa de extensión.
Polo tanto, despois de completar a produción do substrato, unha película fina específica de cristal único crece sobre o substrato a través do proceso de extensión.
Na actualidade, utilízase principalmente o método de deposición química de gas (CVD).
Deseño
Despois de facer o substrato, entra na fase de deseño do produto.
Para 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 deseño de patente), e por outra banda paracubrir os custos de fabricación e fabricación.
Fabricación de obleas
Despois de completar o deseño do produto, entra na fase de fabricación de obleas,e o proceso é aproximadamente semellante ao do silicio, que ten principalmente os seguintes 5 pasos.
☆Paso 1: inxecta a máscara
Realízase unha capa de película de óxido de silicio (SiO2), recóbrese o fotorresistente, fórmase o patrón de fotorresistencia a través dos pasos de homoxeneización, exposición, desenvolvemento, etc., e a figura transfírese á película de óxido mediante o proceso de gravado.
☆Paso 2: implantación iónica
A oblea de carburo de silicio enmascarado colócase nun implantador de ións, onde se inxectan ións de aluminio para formar unha zona de dopaxe de tipo P, e recocidos para activar os ións de aluminio implantados.
Elimínase a película de óxido, inxéctanse ións de nitróxeno nunha rexión específica da rexión de dopado tipo P para formar unha rexión condutora de tipo N do drenaxe e da fonte, e os ións de nitróxeno implantados son recocidos para activalos.
☆Paso 3: Fai a reixa
Fai a grella.Na zona entre a fonte e o drenaxe, a capa de óxido de porta prepárase mediante un proceso de oxidación a alta temperatura e a capa de electrodo de porta deposítase para formar a estrutura de control da porta.
☆Paso 4: Creación de capas de pasivación
Faise a capa de pasivación.Depositar unha capa de pasivación con boas características de illamento para evitar a ruptura entre electrodos.
☆Paso 5: Fai electrodos de fonte de drenaxe
Facer desaugadoiro e fonte.A capa de pasivación está perforada e o metal é pulverizado para formar un drenaxe e unha fonte.
Fonte da foto: Xinxi Capital
Aínda que hai pouca diferenza entre o nivel de proceso e a base de silicio, debido ás características dos materiais de carburo de silicio,a implantación iónica e o recocido deben realizarse nun ambiente de alta temperatura(ata 1600 ° C), a alta temperatura afectará á estrutura da celosía do propio material e a dificultade tamén afectará o rendemento.
Ademais, para os compoñentes MOSFET,a calidade do osíxeno da porta afecta directamente á mobilidade da canle e á fiabilidade da porta, porque hai dous tipos de silicio e átomos de carbono no material de carburo de silicio.
Polo tanto, é necesario un método de crecemento medio de porta especial (outro punto é que a folla de carburo de silicio é transparente e o aliñamento da posición na fase de fotolitografía é difícil de silicio).
Despois de completar a fabricación da oblea, o chip individual córtase nun chip espido e pódese empaquetar segundo o propósito.O proceso común para dispositivos discretos é o paquete TO.
MOSFET CoolSiC™ de 650 V en paquete TO-247
Foto: Infineon
O campo da automoción ten requisitos de alta potencia e disipación de calor, e ás veces é necesario construír directamente circuítos de ponte (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 usan un esquema paralelo dun só tubo.
Borgwarner Viper
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.
A temperatura do punto de fusión da temperatura de soldadura suave tradicional é baixa, non pode cumprir os requisitos de temperatura.Polo tanto, os módulos de carburo de silicio adoitan empregar un proceso de soldadura de sinterización de prata a baixa temperatura.
Despois de completar o módulo, pódese aplicar ao sistema de pezas.
Controlador de motor Tesla Model3
O chip desnudo provén de ST, paquete de desenvolvemento propio e sistema de accionamento eléctrico
☆02 Estado da aplicación de SiC?
No campo da automoción, os dispositivos de enerxía utilízanse principalmenteDCDC, OBC, inversores de motor, inversores de aire acondicionado eléctrico, carga sen fíos e outras pezasque requiren conversión rápida AC/DC (DCDC actúa principalmente como un interruptor rápido).
Foto: BorgWarner
En comparación cos materiais a base de silicio, os materiais SIC teñen máisintensidade de campo de avalancha crítica(3×106 V/cm),mellor condutividade térmica(49 W/mK) eintervalo de banda máis amplo(3,26 eV).
Canto maior sexa a brecha de banda, menor será a corrente de fuga e maior eficiencia.Canto mellor sexa a condutividade térmica, maior será a densidade de corrente.Canto máis forte sexa o campo crítico de avalancha, a resistencia á tensión do dispositivo pódese mellorar.
Polo tanto, no campo da alta tensión a bordo, os MOSFET e SBD preparados con materiais de carburo de silicio para substituír a combinación existente de IGBT e FRD baseada en silicio poden mellorar de forma efectiva a potencia e a eficiencia.especialmente en escenarios de aplicación de alta frecuencia para reducir as perdas de conmutación.
Na actualidade, o máis probable é conseguir aplicacións a gran escala en inversores de motor, seguido 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 estean máis inclinadas a escoller a solución SiC-MOSFET.Polo tanto, a maioría dos actuais 800V planificación de control electrónico SiC-MOSFET.
A planificación a nivel de plataforma inclúemoderno E-GMP, GM Otenergy - campo de recollida, Porsche PPE e Tesla EPA.Excepto os modelos de plataforma Porsche PPE que non levan explícitamente SiC-MOSFET (o primeiro modelo é IGBT baseado en sílice), outras plataformas de vehículos adoptan esquemas SiC-MOSFET.
Plataforma Universal Ultra Energy
A planificación do modelo de 800 V é máis,a marca Great Wall Salon Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI versión, coche ideal S01 e W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 dixo que levará plataforma 800V, ademais de BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen tamén dixo que a tecnoloxía 800V na investigación.
Da situación dos pedidos de 800V obtidos polos provedores de nivel 1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics e Huichuantodos os pedidos anunciados de unidades eléctricas de 800 V.
Plataforma de tensión de 400 V
Na plataforma de tensión de 400 V, 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 agora se produciu en masa, a potencia máxima do motor BYD Hanhou é duns 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO tamén usará produtos SiC-MOSFET a partir de ET7 e o ET5 que aparecerá máis adiante.A potencia máxima é de 240Kw (ET5 210Kw).
Ademais, desde a perspectiva da alta eficiencia, algunhas empresas tamén están a explorar a viabilidade dos produtos SiC-MOSFET de inundación auxiliar.
Hora de publicación: 08-07-2023