En comparació amb els semiconductors de potència basats en silici, els semiconductors de potència de SiC (carbur de silici) tenen avantatges significatius en freqüència de commutació, pèrdues, dissipació de calor, miniaturització, etc.
Amb la producció a gran escala d'inversors de carbur de silici per part de Tesla, més empreses també han començat a comercialitzar productes de carbur de silici.
El SiC és tan "increïble", com es va fabricar? Quines són les aplicacions ara? A veure!
01 ☆ Naixement d'un SiC
Igual que altres semiconductors de potència, la cadena industrial SiC-MOSFET incloul'enllaç cristall llarg – substrat – epitaxia – disseny – fabricació – envasament.
Cristall llarg
Durant l'enllaç de cristall llarg, a diferència del mètode de preparació Tira utilitzat pel silici monocristall, el carbur de silici adopta principalment el mètode de transport de gas físic (PVT, també conegut com a mètode de sublimació de cristalls de llavor o Lly millorat), suplementat amb el mètode de deposició química de gas a alta temperatura (HTCVD).
☆ Pas central
1. Matèria primera sòlida carbònica;
2. Després de l'escalfament, el sòlid de carbur es converteix en gas;
3. El gas es mou cap a la superfície del cristall de sembra;
4. El gas creix a la superfície del cristall sembra fins a convertir-se en un cristall.
Font de la imatge: “Punt tècnic per desmuntar el carbur de silici de creixement PVT”
La diferent artesania ha causat dos grans desavantatges en comparació amb la base de silici:
En primer lloc, la producció és difícil i el rendiment és baix.La temperatura de la fase gasosa a base de carboni supera els 2300 °C i la pressió és de 350 MPa. Es realitza tota la caixa fosca i és fàcil barrejar-se amb impureses. El rendiment és inferior al de la base de silici. Com més gran sigui el diàmetre, menor serà el rendiment.
El segon és un creixement lent.La governança del mètode PVT és molt lenta, la velocitat és d'uns 0,3-0,5 mm/h i pot créixer 2 cm en 7 dies. El màxim només pot créixer de 3 a 5 cm i el diàmetre del lingot de cristall és majoritàriament de 4 i 6 polzades.
El 72H, basat en silici, pot créixer fins a una alçada de 2-3 m, amb diàmetres principalment de 6 polzades i una nova capacitat de producció de 8 polzades per a 12 polzades.Per tant, el carbur de silici sovint s'anomena lingot de cristall i el silici es converteix en un pal de cristall.
Lingots de cristall de carbur de silici
Substrat
Un cop finalitzat el cristall llarg, entra al procés de producció del substrat.
Després del tall, la mòlta (mòlta gruixuda, mòlta fina), el poliment (poliment mecànic) i el poliment d'ultraprecisió (poliment químic-mecànic) específics, s'obté el substrat de carbur de silici.
El substrat juga principalmentel paper del suport físic, la conductivitat tèrmica i la conductivitat.La dificultat del processament rau en el fet que el material de carbur de silici té propietats químiques altes, cruixents i estables. Per tant, els mètodes de processament tradicionals basats en silici no són adequats per al substrat de carbur de silici.
La qualitat de l'efecte de tall afecta directament el rendiment i l'eficiència d'utilització (cost) dels productes de carbur de silici, per la qual cosa cal que siguin petits, de gruix uniforme i de baix tall.
Actualment,4 i 6 polzades utilitzen principalment equips de tall multilínia,tallant cristalls de silici en làmines fines amb un gruix no superior a 1 mm.
Diagrama esquemàtic de tall multilínia
En el futur, amb l'augment de la mida de les oblies de silici carbonitzat, augmentarà l'augment dels requisits d'utilització de materials i també s'aplicaran gradualment tecnologies com el tall làser i la separació en fred.
El 2018, Infineon va adquirir Siltectra GmbH, que va desenvolupar un procés innovador conegut com a craqueig en fred.
En comparació amb la pèrdua tradicional del procés de tall multifil d'1/4,El procés de craqueig en fred només va perdre 1/8 del material de carbur de silici.
Extensió
Com que el material de carbur de silici no pot fabricar dispositius d'alimentació directament sobre el substrat, calen diversos dispositius a la capa d'extensió.
Per tant, un cop finalitzada la producció del substrat, es fa créixer una pel·lícula fina de monocristall específica sobre el substrat mitjançant el procés d'extensió.
Actualment, s'utilitza principalment el mètode de deposició química de gasos (CVD).
Disseny
Un cop fet el substrat, s'entra a la fase de disseny del producte.
Per als MOSFET, el focus del procés de disseny és el disseny de la ranura,d'una banda, per evitar la infracció de patents(Infineon, Rohm, ST, etc., tenen un disseny patentat), i d'altra banda acomplir amb la capacitat de fabricació i els costos de fabricació.
Fabricació de galetes
Un cop finalitzat el disseny del producte, s'entra a la fase de fabricació de les oblees.i el procés és aproximadament similar al del silici, que principalment té els 5 passos següents.
☆Pas 1: Injectar la màscara
Es fa una capa de pel·lícula d'òxid de silici (SiO2), es recobreix la fotoresistència, es forma el patró de fotoresistència mitjançant els passos d'homogeneïtzació, exposició, revelat, etc., i la figura es transfereix a la pel·lícula d'òxid mitjançant el procés de gravat.
☆Pas 2: Implantació d'ions
L'oblea de carbur de silici emmascarada es col·loca en un implantador d'ions, on s'injecten ions d'alumini per formar una zona de dopatge de tipus P i es recoc per activar els ions d'alumini implantats.
Es retira la pel·lícula d'òxid, s'injecten ions de nitrogen en una regió específica de la regió de dopatge de tipus P per formar una regió conductora de tipus N del dren i la font, i els ions de nitrogen implantats es recouen per activar-los.
☆Pas 3: Fes la quadrícula
Feu la graella. A la zona entre la font i el dren, la capa d'òxid de la porta es prepara mitjançant un procés d'oxidació a alta temperatura i la capa d'elèctrode de la porta es diposita per formar l'estructura de control de la porta.
☆Pas 4: Creació de capes de passivació
Es fa una capa de passivació. Dipositar una capa de passivació amb bones característiques d'aïllament per evitar la ruptura entre elèctrodes.
☆Pas 5: Feu els elèctrodes de drenatge-font
Feu el drenatge i la font. La capa de passivació es perfora i el metall es polvoritza per formar un drenatge i una font.
Font de la foto: Xinxi Capital
Tot i que hi ha poca diferència entre el nivell de procés i el basat en silici, a causa de les característiques dels materials de carbur de silici,La implantació iònica i el recuit s'han de dur a terme en un entorn d'alta temperatura(fins a 1600 °C), les altes temperatures afectaran l'estructura reticular del material en si, i la dificultat també afectarà el rendiment.
A més, per als components MOSFET,La qualitat de l'oxigen de la porta afecta directament la mobilitat del canal i la fiabilitat de la porta, perquè hi ha dos tipus d'àtoms de silici i carboni en el material de carbur de silici.
Per tant, es requereix un mètode especial de creixement del medi de porta (un altre punt és que la làmina de carbur de silici és transparent i l'alineació de la posició a la fase de fotolitografia és difícil de silici).
Un cop finalitzada la fabricació de la làmina, el xip individual es talla en un xip nu i es pot empaquetar segons la finalitat. El procés comú per a dispositius discrets és l'empaquetament TO.
MOSFET CoolSiC™ de 650 V en encapsulat TO-247
Foto: Infineon
El camp de l'automoció té uns requisits elevats de potència i dissipació de calor, i de vegades cal construir directament circuits de pont (mig pont o pont complet, o directament empaquetats amb díodes).
Per tant, sovint s'empaqueta directament en mòduls o sistemes. Segons el nombre de xips empaquetats en un sol mòdul, la forma habitual és 1 en 1 (BorgWarner), 6 en 1 (Infineon), etc., i algunes empreses utilitzen un esquema paral·lel d'un sol tub.
Escurçó de Borgwarner
Admet refrigeració per aigua de doble cara i SiC-MOSFET
Mòduls MOSFET Infineon CoolSiC™
A diferència del silici,Els mòduls de carbur de silici funcionen a una temperatura més alta, uns 200 °C.
El punt de fusió de la soldadura tova tradicional és baix i no pot complir els requisits de temperatura. Per tant, els mòduls de carbur de silici sovint utilitzen un procés de soldadura per sinterització de plata a baixa temperatura.
Un cop finalitzat el mòdul, es pot aplicar al sistema de peces.
Controlador de motor Tesla Model 3
El xip nu prové de ST, paquet de desenvolupament propi i sistema d'accionament elèctric
☆02 Estat de l'aplicació de SiC?
En el sector de l'automoció, els dispositius d'alimentació s'utilitzen principalment enDCDC, OBC, inversors de motor, inversors d'aire condicionat elèctric, càrrega sense fil i altres pecesque requereixen una conversió ràpida AC/DC (el DCDC actua principalment com a commutador ràpid).
Foto: BorgWarner
En comparació amb els materials basats en silici, els materials SIC tenen una majorintensitat del camp de ruptura d'allaus crítiques(3×10⁶V/cm),millor conductivitat tèrmica(49 W/mK) ibanda prohibida més ampla(3,26 eV).
Com més gran sigui la banda prohibida, menor serà el corrent de fuita i més alta serà l'eficiència. Com millor sigui la conductivitat tèrmica, més alta serà la densitat de corrent. Com més fort sigui el camp crític de ruptura d'allaus, es pot millorar la resistència al voltatge del dispositiu.
Per tant, en el camp de l'alta tensió a bord, els MOSFET i els SBD preparats amb materials de carbur de silici per substituir la combinació existent d'IGBT i FRD basada en silici poden millorar eficaçment la potència i l'eficiència.especialment en escenaris d'aplicacions d'alta freqüència per reduir les pèrdues de commutació.
Actualment, és més probable que aconsegueixi aplicacions a gran escala en inversors de motor, seguits d'OBC i DCDC.
Plataforma de voltatge de 800V
En la plataforma de voltatge de 800V, l'avantatge de l'alta freqüència fa que les empreses siguin més propenses a triar la solució SiC-MOSFET. Per tant, la majoria dels SiC-MOSFET de planificació de control electrònic de 800V actuals.
La planificació a nivell de plataforma inclouE-GMP modern, GM Otenergy – camp de pickups, Porsche PPE i Tesla EPA.Excepte els models de la plataforma Porsche PPE que no porten explícitament SiC-MOSFET (el primer model és IGBT basat en sílice), altres plataformes de vehicles adopten esquemes SiC-MOSFET.
Plataforma d'energia universal Ultra
La planificació de models de 800V és més,la marca Great Wall Salon Jiagirong, la versió Beiqi pole Fox S HI, el cotxe ideal S01 i W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 va dir que portarà la plataforma de 800V, a més de BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen també va dir que la tecnologia de 800V està en investigació.
A partir de la situació de les comandes de 800V obtingudes per proveïdors de Tier 1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics i Huichuantotes les comandes de propulsió elèctrica de 800V anunciades.
Plataforma de voltatge de 400 V
A la plataforma de voltatge de 400V, el SiC-MOSFET es basa principalment en l'alta potència i densitat de potència i l'alta eficiència.
Com el motor Tesla Model 3\Y que s'ha produït en massa ara, la potència màxima del motor BYD Hanhou és d'uns 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW), NIO també utilitzarà productes SiC-MOSFET a partir de l'ET7 i l'ET5 que s'enumeraran més endavant. La potència màxima és de 240 kW (ET5 210 kW).
A més, des de la perspectiva de l'alta eficiència, algunes empreses també estan explorant la viabilitat dels productes SiC-MOSFET d'inundació auxiliar.
Data de publicació: 08 de juliol de 2023
