In vergelyking met silikon-gebaseerde kraghalfgeleiers, het SiC (silikonkarbied) kraghalfgeleiers beduidende voordele in skakelfrekwensie, verlies, hitteafvoer, miniaturisering, ens.
Met die grootskaalse produksie van silikonkarbied-omsetters deur Tesla, het meer maatskappye ook begin om silikonkarbiedprodukte te bekom.
SiC is so “verbasend”, hoe op aarde is dit gemaak? Wat is die toepassings nou? Kom ons kyk!
01 ☆ Geboorte van 'n SiC
Soos ander kraghalfgeleiers, sluit die SiC-MOSFET-bedryfsketting indie skakel tussen lang kristal – substraat – epitaksie – ontwerp – vervaardiging – verpakking.
Lang kristal
Gedurende die lang kristalskakel, anders as die voorbereiding van die Tira-metode wat deur enkelkristal silikon gebruik word, neem silikonkarbied hoofsaaklik die fisiese gasvervoermetode (PVT, ook bekend as verbeterde Lly of saadkristal sublimasiemetode), en hoëtemperatuur chemiese gasafsettingsmetode (HTCVD) aan.
☆ Kernstap
1. Koolstofhoudende vaste grondstof;
2. Na verhitting word die karbiede vastestof gas;
3. Gas beweeg na die oppervlak van die saadkristal;
4. Gas groei op die oppervlak van die saadkristal tot 'n kristal.
Prentbron: “Tegniese punt om PVT-groei-silikonkarbied te demonteer”
Verskillende vakmanskap het twee groot nadele veroorsaak in vergelyking met die silikonbasis:
Eerstens is produksie moeilik en die opbrengs is laag.Die temperatuur van die koolstofgebaseerde gasfase styg tot bo 2300 °C en die druk is 350 MPa. Die hele donker boks word uitgevoer, en dit is maklik om onsuiwerhede in te meng. Die opbrengs is laer as die silikonbasis. Hoe groter die deursnee, hoe laer die opbrengs.
Die tweede is stadige groei.Die bestuur van die PVT-metode is baie stadig, die spoed is ongeveer 0.3-0.5 mm/h, en dit kan 2 cm in 7 dae groei. Die maksimum kan slegs 3-5 cm groei, en die deursnee van die kristalstaaf is meestal 4 duim en 6 duim.
Die silikon-gebaseerde 72H kan tot 'n hoogte van 2-3 m groei, met deursnee meestal 6 duim en 'n nuwe produksiekapasiteit van 8 duim vir 12 duim.Daarom word silikonkarbied dikwels kristalstaaf genoem, en silikon word 'n kristalstok.
Karbied silikon kristal blokke
Substraat
Nadat die lang kristal voltooi is, betree dit die produksieproses van die substraat.
Na gerigte sny, slyp (growwe slyp, fyn slyp), polering (meganiese polering), ultra-presisie polering (chemiese meganiese polering), word die silikonkarbied substraat verkry.
Die substraat speel hoofsaaklikdie rol van fisiese ondersteuning, termiese geleidingsvermoë en geleidingsvermoë.Die moeilikheid van verwerking is dat die silikonkarbiedmateriaal hoë, bros en stabiele chemiese eienskappe het. Daarom is tradisionele silikon-gebaseerde verwerkingsmetodes nie geskik vir silikonkarbied-substraat nie.
Die kwaliteit van die sny-effek beïnvloed direk die werkverrigting en benuttingsdoeltreffendheid (koste) van silikonkarbiedprodukte, daarom moet dit klein, eenvormig dik en lae sny wees.
Tans,4-duim en 6-duim gebruik hoofsaaklik multi-lyn sny toerusting,sny silikonkristalle in dun skyfies met 'n dikte van nie meer as 1 mm nie.
Multi-lyn sny skematiese diagram
In die toekoms, met die toename in die grootte van gekarboniseerde silikonwafers, sal die toename in materiaalbenuttingsvereistes toeneem, en tegnologieë soos lasersny en koue skeiding sal ook geleidelik toegepas word.
In 2018 het Infineon Siltectra GmbH verkry, wat 'n innoverende proses bekend as koue kraking ontwikkel het.
In vergelyking met die tradisionele multi-draad snyproses verlies van 1/4,Die koue kraakproses het slegs 1/8 van die silikonkarbiedmateriaal verloor.
Uitbreiding
Aangesien die silikonkarbiedmateriaal nie kragtoestelle direk op die substraat kan maak nie, word verskeie toestelle op die uitbreidingslaag benodig.
Daarom, nadat die produksie van die substraat voltooi is, word 'n spesifieke enkelkristal dun film op die substraat gekweek deur die verlengingsproses.
Tans word die chemiese gasafsettingsmetode (CVD) proses hoofsaaklik gebruik.
Ontwerp
Nadat die substraat gemaak is, betree dit die produkontwerpfase.
Vir MOSFET is die fokus van die ontwerpproses die ontwerp van die groef,aan die een kant om patentskending te vermy(Infineon, Rohm, ST, ens., het patentuitleg), en aan die ander kant aandie vervaardigbaarheids- en vervaardigingskoste dek.
Wafervervaardiging
Nadat die produkontwerp voltooi is, gaan dit die wafervervaardigingsfase binne,en die proses is rofweg soortgelyk aan dié van silikon, wat hoofsaaklik die volgende 5 stappe het.
☆Stap 1: Spuit die masker in
'n Laag silikonoksied (SiO2) film word gemaak, die fotoresis word bedek, die fotoresispatroon word gevorm deur die stappe van homogenisering, blootstelling, ontwikkeling, ens., en die figuur word deur die etsproses na die oksiedfilm oorgedra.
☆Stap 2: Iooninplanting
Die gemaskerde silikonkarbiedwafel word in 'n iooninplanteerder geplaas, waar aluminiumione ingespuit word om 'n P-tipe doteringsone te vorm, en gegloei word om die geïmplanteerde aluminiumione te aktiveer.
Die oksiedfilm word verwyder, stikstofione word in 'n spesifieke gebied van die P-tipe doteringsgebied ingespuit om 'n N-tipe geleidende gebied van die drein en bron te vorm, en die geïmplanteerde stikstofione word uitgegloei om hulle te aktiveer.
☆Stap 3: Maak die rooster
Maak die rooster. In die area tussen die bron en drein word die hekoksiedlaag voorberei deur 'n hoëtemperatuur-oksidasieproses, en die hekelektrodelaag word neergelê om die hekbeheerstruktuur te vorm.
☆Stap 4: Passiveringslae maak
Passiveringslaag word gemaak. Plaas 'n passiveringslaag met goeie isolasie-eienskappe neer om interelektrode-deurbreek te voorkom.
☆Stap 5: Maak dreinbron-elektrodes
Maak drein en bron. Die passiveringslaag word geperforeer en metaal word gesputter om 'n drein en 'n bron te vorm.
Foto Bron: Xinxi Capital
Alhoewel daar min verskil is tussen die prosesvlak en silikon-gebaseerde, as gevolg van die eienskappe van silikonkarbiedmateriale,iooninplanting en uitgloeiing moet in 'n hoëtemperatuuromgewing uitgevoer word(tot 1600 °C), sal hoë temperatuur die roosterstruktuur van die materiaal self beïnvloed, en die moeilikheidsgraad sal ook die opbrengs beïnvloed.
Daarbenewens, vir MOSFET-komponente,Die kwaliteit van die suurstof van die hek beïnvloed direk die kanaalmobiliteit en die betroubaarheid van die hek, want daar is twee soorte silikon- en koolstofatome in die silikonkarbiedmateriaal.
Daarom is 'n spesiale hekmediumgroeimetode nodig (nog 'n punt is dat die silikonkarbiedplaat deursigtig is, en die posisiebelyning tydens die fotolitografiestadium is moeilik vir silikon).
Nadat die wafervervaardiging voltooi is, word die individuele skyfie in 'n kaal skyfie gesny en kan dit volgens die doel verpak word. Die algemene proses vir diskrete toestelle is TO-verpakking.
650V CoolSiC™ MOSFET's in TO-247-behuizing
Foto: Infineon
Die motorbedryf het hoë vereistes vir krag- en hitteafvoer, en soms is dit nodig om brugkringe direk te bou (halfbrug of volle brug, of direk met diodes verpak).
Daarom word dit dikwels direk in modules of stelsels verpak. Volgens die aantal skyfies wat in 'n enkele module verpak is, is die algemene vorm 1 in 1 (BorgWarner), 6 in 1 (Infineon), ens., en sommige maatskappye gebruik 'n enkelbuis-parallelle skema.
Borgwarner Viper
Ondersteun dubbelsydige waterverkoeling en SiC-MOSFET
Infineon CoolSiC™ MOSFET-modules
Anders as silikon,silikonkarbiedmodules werk teen 'n hoër temperatuur, ongeveer 200 °C.
Die smeltpunt van tradisionele sagte soldeer is laag en kan nie aan die temperatuurvereistes voldoen nie. Daarom gebruik silikonkarbiedmodules dikwels 'n lae-temperatuur silwersinteringslasproses.
Nadat die module voltooi is, kan dit op die onderdelestelsel toegepas word.
Tesla Model 3 motorbeheerder
Die kaal skyfie kom van ST, selfontwikkelde pakket en elektriese aandrywingstelsel
☆02 Aansoekstatus van SiC?
In die motorbedryf word kragtoestelle hoofsaaklik gebruik inDCDC, OBC, motoromsetters, elektriese lugversorgingsomsetters, draadlose laai en ander onderdelewat vinnige AC/DC-omskakeling vereis (DCDC tree hoofsaaklik as 'n vinnige skakelaar op).
Foto: BorgWarner
In vergelyking met silikon-gebaseerde materiale, het SIC-materiale hoërkritieke sneeustortingveldsterkte(3×106V/cm),beter termiese geleidingsvermoë(49W/mK) enwyer bandgaping(3.26 eV).
Hoe wyer die bandgaping, hoe kleiner die lekstroom en hoe hoër die doeltreffendheid. Hoe beter die termiese geleidingsvermoë, hoe hoër die stroomdigtheid. Hoe sterker die kritieke sneeustortingveld is, hoe sterker kan die spanningsweerstand van die toestel verbeter word.
Daarom, op die gebied van hoëspanning aan boord, kan MOSFET's en SBD's wat deur silikonkarbiedmateriale voorberei is om die bestaande silikon-gebaseerde IGBT- en FRD-kombinasie te vervang, krag en doeltreffendheid effektief verbeter,veral in hoëfrekwensie-toepassingscenario's om skakelverliese te verminder.
Tans is dit heel waarskynlik om grootskaalse toepassings in motoromsetters te bereik, gevolg deur OBC en DCDC.
800V spanningsplatform
In die 800V-spanningsplatform maak die voordeel van hoë frekwensie ondernemings meer geneig om 'n SiC-MOSFET-oplossing te kies. Daarom beplan die meeste van die huidige 800V elektroniese beheer SiC-MOSFET.
Platformvlakbeplanning sluit inmoderne E-GMP, GM Otenergy – bakkieveld, Porsche PPE, en Tesla EPA.Behalwe vir Porsche PPE-platformmodelle wat nie eksplisiet SiC-MOSFET dra nie (die eerste model is silika-gebaseerde IGBT), neem ander voertuigplatforms SiC-MOSFET-skemas aan.
Universele Ultra-energieplatform
800V-modelbeplanning is meer,die Great Wall Salon-handelsmerk Jiagirong, Beiqi-paal Fox S HI-weergawe, ideale motor S01 en W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 het gesê dat dit die 800V-platform sal dra, benewens BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen het ook gesê 800V-tegnologie in navorsing.
Uit die situasie van 800V-bestellings wat deur Tier1-verskaffers verkry is,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics, en Huichuanalle aangekondigde 800V elektriese aandrywingsbestellings.
400V spanningsplatform
In die 400V-spanningsplatform word SiC-MOSFET hoofsaaklik in ag geneem met hoë krag en kragdigtheid en hoë doeltreffendheid.
Soos die Tesla Model 3\Y-motor wat nou massa-vervaardig is, is die piekvermoë van die BYD Hanhou-motor ongeveer 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW), en NIO sal ook SiC-MOSFET-produkte gebruik vanaf ET7 en die ET5 wat later gelys sal word. Die piekvermoë is 240 kW (ET5 210 kW).
Daarbenewens ondersoek sommige ondernemings vanuit die perspektief van hoë doeltreffendheid ook die haalbaarheid van hulpvloeiing van SiC-MOSFET-produkte.
Plasingstyd: 8 Julie 2023
