In vergelyking met silikongebaseerde kraghalfgeleiers, het SiC (silikonkarbied) kraghalfgeleiers aansienlike voordele in skakelfrekwensie, verlies, hitte-afvoer, miniaturisering, ens.
Met die grootskaalse produksie van silikonkarbied-omskakelaars deur Tesla, het meer maatskappye ook begin om silikonkarbiedprodukte te land.
SiC is so "ongelooflik", 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-industrieketting indie lang kristal – substraat – epitaksie – ontwerp – vervaardiging – verpakkingskakel.
Lang kristal
Tydens die lang kristalverbinding, anders as die voorbereiding van die Tira-metode wat deur enkelkristalsilikon gebruik word, gebruik silikonkarbied hoofsaaklik fisiese gasvervoermetode (PVT, ook bekend as verbeterde Lly- of saadkristalsublimasiemetode), hoëtemperatuur chemiese gasafsettingsmetode (HTCVD) ) aanvullings.
☆ Kernstap
1. Koolstof soliede grondstof;
2. Na verhitting word die karbiedvaste stof 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 uitmekaar te haal"
Verskillende vakmanskap het twee groot nadele in vergelyking met die silikonbasis veroorsaak:
Eerstens is produksie moeilik en die opbrengs laag.Die temperatuur van die koolstof-gebaseerde gasfase groei bo 2300 ° C en die druk is 350 MPa.Die hele donker boks word uitgevoer, en dit is maklik om in onsuiwerhede te meng.Die opbrengs is laer as die silikonbasis.Hoe groter die deursnee, hoe laer die opbrengs.
Die tweede is stadige groei.Die beheer van die PVT-metode is baie stadig, die spoed is ongeveer 0,3-0,5 mm/h, en dit kan 2 cm groei in 7 dae.Die maksimum kan net 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 2-3m groei, met deursnee meestal 6 duim en 8 duim nuwe produksiekapasiteit 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, gaan dit die produksieproses van die substraat binne.
Na doelgerigte sny, slyp (grof maal, fyn maal), polering (meganiese polering), ultra-presisie polering (chemiese meganiese polering), word die silikonkarbied substraat verkry.
Die substraat speel hoofsaaklikdie rol van fisiese ondersteuning, termiese geleiding en geleiding.Die moeilikheid van verwerking is dat die silikonkarbiedmateriaal hoog, krakerig en stabiel in chemiese eienskappe is.Daarom is tradisionele silikongebaseerde verwerkingsmetodes nie geskik vir silikonkarbiedsubstraat nie.
Die kwaliteit van die sny-effek beïnvloed direk die werkverrigting en benuttingsdoeltreffendheid (koste) van silikonkarbiedprodukte, daarom moet dit klein wees, eenvormige dikte en lae sny.
Huidiglik,4-duim en 6-duim gebruik hoofsaaklik multi-lyn sny toerusting,sny silikonkristalle in dun skywe 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 verkoolde silikonwafels, 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 ontwikkel het wat as koue kraak bekend staan.
In vergelyking met die tradisionele multi-draad sny proses 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 verlengingslaag benodig.
Daarom, nadat die produksie van die substraat voltooi is, word 'n spesifieke enkelkristal dun film op die substraat gegroei deur die verlengingsproses.
Tans word hoofsaaklik die proses van chemiese gasafsetting (CVD) gebruik.
Ontwerp
Nadat die substraat gemaak is, betree dit die produkontwerpstadium.
Vir MOSFET is die fokus van die ontwerpproses die ontwerp van die groef,enersyds om patentskending te vermy(Infineon, Rohm, ST, ens., het patentuitleg), en aan die ander kant omvoldoen aan die vervaardigbaarheid en vervaardigingskoste.
Wafer vervaardiging
Nadat die produkontwerp voltooi is, gaan dit die wafelvervaardigingstadium binne,en die proses is min of meer 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 fotoresist is bedek, die fotoresist patroon 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 ioon-inplanter geplaas, waar aluminiumione ingespuit word om 'n P-tipe dopingsone te vorm, en uitgegloei word om die ingeplante aluminiumione te aktiveer.
Die oksiedfilm word verwyder, stikstofione word in 'n spesifieke area van die P-tipe dopinggebied ingespuit om 'n N-tipe geleidende area van die drein en bron te vorm, en die ingeplante 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 hoëtemperatuuroksidasieproses, en die hekelektrodelaag word neergesit om die hekbeheerstruktuur te vorm.
☆Stap 4: Maak passiveringslae
Passiveringslaag word gemaak.Deponeer 'n passiveringslaag met goeie isolasie-eienskappe om interelektrode-afbreking te voorkom.
☆Stap 5: Maak dreinbronelektrodes
Maak drein en bron.Die passiveringslaag is 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 silikongebaseerde, as gevolg van die eienskappe van silikonkarbiedmateriale,ioon-inplanting en uitgloeiing moet in 'n hoë temperatuur omgewing uitgevoer word(tot 1600 ° C), hoë temperatuur sal die roosterstruktuur van die materiaal self beïnvloed, en die moeilikheid sal ook die opbrengs beïnvloed.
Daarbenewens, vir MOSFET-komponente,die kwaliteit van heksuurstof beïnvloed die kanaalmobiliteit en hekbetroubaarheid direk, want daar is twee soorte silikon- en koolstofatome in die silikonkarbiedmateriaal.
Daarom word 'n spesiale hekmediumgroeimetode vereis (nog 'n punt is dat die silikonkarbiedplaat deursigtig is, en die posisiebelyning by die fotolitografiestadium moeilik is om te silikon).
Nadat die wafer-vervaardiging 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 pakket.
650V CoolSiC™ MOSFET's in TO-247-pakket
Foto: Infineon
Die motorveld het hoë krag- en hitte-afvoervereistes, en soms is dit nodig om direk brugkringe te bou (halfbrug of volle brug, of direk verpak met diodes).
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 dubbelzijdige waterverkoeling en SiC-MOSFET
Infineon CoolSiC™ MOSFET-modules
Anders as silikon,silikonkarbiedmodules werk teen 'n hoër temperatuur, ongeveer 200 ° C.
Tradisionele sagte soldeer temperatuur smeltpunt temperatuur is laag, kan nie voldoen aan die temperatuur vereistes.Daarom gebruik silikonkarbiedmodules dikwels lae-temperatuur silwer sintersweisproses.
Nadat die module voltooi is, kan dit op die onderdelestelsel toegepas word.
Tesla Model3 motorbeheerder
Die kaal skyfie kom van ST, self-ontwikkelde pakket en elektriese dryfstelsel
☆02 Toepassingstatus van SiC?
In die motorveld word kragtoestelle hoofsaaklik gebruik inDCDC, OBC, motor-omsetters, elektriese lugversorging-omskakelaars, draadlose laai en ander onderdelewat AC/DC vinnige omskakeling vereis (DCDC dien hoofsaaklik as 'n vinnige skakelaar).
Foto: BorgWarner
In vergelyking met silikon-gebaseerde materiale, het SIC materiale hoërkritieke stortvloed afbreek veldsterkte(3×106V/cm),beter termiese geleidingsvermoë(49W/mK) engroter bandgaping(3.26eV).
Hoe groter die bandgaping, hoe kleiner is die lekstroom en hoe hoër is die doeltreffendheid.Hoe beter die termiese geleidingsvermoë, hoe hoër is die stroomdigtheid.Hoe sterker die kritieke stortvloed-afbreekveld is, kan die spanningsweerstand van die toestel verbeter word.
Daarom, op die gebied van hoëspanning aan boord, kan MOSFET's en SBD wat deur silikonkarbiedmateriale voorberei is om die bestaande silikongebaseerde IGBT- en FRD-kombinasie te vervang, krag en doeltreffendheid effektief verbeter,veral in hoëfrekwensietoepassingscenario's om skakelverliese te verminder.
Tans sal dit heel waarskynlik grootskaalse toepassings in motoromsetters bereik, gevolg deur OBC en DCDC.
800V spanning platform
In die 800V-spanningsplatform maak die voordeel van hoë frekwensie ondernemings meer geneig om SiC-MOSFET-oplossing te kies.Daarom, die meeste van die huidige 800V elektroniese beheer beplanning SiC-MOSFET.
Platformvlakbeplanning sluit inmoderne E-GMP, GM Otenergy – bakkie veld, Porsche PPE, en Tesla EPA.Behalwe vir Porsche PPE-platformmodelle wat nie uitdruklik SiC-MOSFET dra nie (die eerste model is silika-gebaseerde IGBT), neem ander voertuigplatforms SiC-MOSFET-skemas aan.
Universele Ultra-energie platform
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 sal dra 800V platform, bykomend tot 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 Huichuanalmal aangekondig 800V elektriese aandrywing bestellings.
400V spanning platform
In die 400V-spanningsplatform is SiC-MOSFET hoofsaaklik in die oorweging van hoë drywing en kragdigtheid en hoë doeltreffendheid.
Soos die Tesla Model 3\Y-motor wat nou massa-vervaardig is, die piekkrag van BYD Hanhou-motor is ongeveer 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO sal ook SiC-MOSFET-produkte gebruik vanaf ET7 en die ET5 wat later gelys sal word.Piekkrag is 240Kw (ET5 210Kw).
Daarbenewens, vanuit die perspektief van hoë doeltreffendheid, ondersoek sommige ondernemings ook die haalbaarheid van hulp-oorstromende SiC-MOSFET-produkte.
Postyd: Jul-08-2023