En comparació amb els semiconductors de potència basats en silici, els semiconductors de potència SiC (carbur de silici) tenen avantatges significatius en la freqüència de commutació, la pèrdua, la dissipació de calor, la miniaturització, etc.
Amb la producció a gran escala d'inversors de carbur de silici per part de Tesla, més empreses també han començat a aterrar productes de carbur de silici.
SiC és tan "increïble", com es va fer?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 llarg cristall – substrat – epitàxia – disseny – fabricació – embalatge.
Cristall llarg
Durant el llarg enllaç de cristall, a diferència de la preparació del mètode Tira utilitzat pel silici monocristal, el carbur de silici adopta principalment el mètode de transport físic de gas (PVT, també conegut com a mètode Lly millorat o sublimació de cristall de llavors), mètode de deposició de gas químic d'alta temperatura (HTCVD). ) suplements.
☆ Pas bàsic
1. Matèria primera sòlida carbònica;
2. Després de l'escalfament, el sòlid de carbur es converteix en gas;
3. El gas es mou a la superfície del cristall de llavors;
4. El gas creix a la superfície del cristall de llavors en un cristall.
Font de la imatge: "Punt tècnic per desmuntar carbur de silici de creixement PVT"
L'artesania diferent ha causat dos desavantatges importants 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 basada en carboni creix per sobre dels 2300 ° C i la pressió és de 350 MPa.Es realitza tota la caixa fosca i és fàcil de barrejar amb impureses.El rendiment és inferior al de la base de silici.Com més gran és el diàmetre, menor és el rendiment.
El segon és el creixement lent.El govern del mètode PVT és molt lent, la velocitat és d'uns 0,3-0,5 mm/h i pot créixer 2 cm en 7 dies.El màxim només pot créixer 3-5 cm, i el diàmetre del lingot de cristall és principalment de 4 polzades i 6 polzades.
El 72H basat en silici pot créixer fins a una alçada de 2-3 m, amb diàmetres majoritàriament 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 silici de carbur
Substrat
Un cop completat el cristall llarg, entra en el procés de producció del substrat.
Després d'un tall dirigit, mòlta (mòlta gruixuda, mòlta fina), polit (polit mecànic), polit d'ultra precisió (polit mecànic químic), 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 és que el material de carbur de silici és alt, cruixent i estable en propietats químiques.Per tant, els mètodes tradicionals de processament 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 sigui un gruix petit, uniforme i un tall baix.
Al present,4 polzades i 6 polzades utilitzen principalment equips de tall de diverses línies,tallar cristalls de silici en rodanxes 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 hòsties de silici carbonitzat, augmentarà l'augment dels requisits d'utilització del material i també s'aplicaran progressivament tecnologies com ara el tall làser i la separació en fred.
El 2018, Infineon va adquirir Siltectra GmbH, que va desenvolupar un procés innovador conegut com a cracking en fred.
En comparació amb la pèrdua tradicional del procés de tall multifils d'1/4,el procés de trencament 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 al substrat, es requereixen diversos dispositius a la capa d'extensió.
Per tant, un cop finalitzada la producció del substrat, es cultiva una pel·lícula fina específica d'un sol cristall al substrat mitjançant el procés d'extensió.
Actualment, s'utilitza principalment el procés de deposició de gasos químics (CVD).
Disseny
Un cop fet el substrat, entra a l'etapa de disseny del producte.
Per 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 disseny de patent), i d'altra banda acobrir la fabricabilitat i els costos de fabricació.
Fabricació d'hòsties
Un cop finalitzat el disseny del producte, entra a l'etapa de fabricació d'hòsties,i el procés és aproximadament similar al del silici, que té principalment els 5 passos següents.
☆Pas 1: injecteu la màscara
Es fa una capa de pel·lícula d'òxid de silici (SiO2), es recobreix el fotoresistent, es forma el patró de fotoresist mitjançant els passos d'homogeneïtzació, exposició, desenvolupament, etc., i la figura es transfereix a la pel·lícula d'òxid mitjançant el procés de gravat.
☆Pas 2: implantació iònica
La hòstia 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 recuit per activar els ions d'alumini implantats.
La pel·lícula d'òxid s'elimina, 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 drenatge i la font, i els ions de nitrogen implantats s'acumulen per activar-los.
☆Pas 3: feu la graella
Feu la graella.A la zona entre la font i el drenatge, 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 interelèctrodes.
☆Pas 5: feu elèctrodes de font de drenatge
Feu desguàs i font.La capa de passivació està perforada i el metall es pulveritza 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 d'ions i el recuit s'han de dur a terme en un ambient d'alta temperatura(fins a 1600 ° C), la temperatura alta afectarà l'estructura de gelosia del propi material 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 al material de carbur de silici.
Per tant, es requereix un mètode de creixement mitjà de la porta especial (un altre punt és que la làmina de carbur de silici és transparent i l'alineació de la posició a l'etapa de fotolitografia és difícil de silici).
Un cop finalitzada la fabricació de les hòsties, el xip individual es talla en un xip nu i es pot empaquetar segons el propòsit.El procés comú per a dispositius discrets és el paquet TO.
MOSFET CoolSiC™ de 650 V en paquet TO-247
Foto: Infineon
El camp de l'automoció té uns requisits elevats de potència i dissipació de calor, i de vegades és necessari construir directament circuits de pont (mitja 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 únic 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 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.
La temperatura del punt de fusió de la temperatura de soldadura suau tradicional és baixa, no pot complir els requisits de temperatura.Per tant, els mòduls de carbur de silici sovint utilitzen un procés de soldadura de sinterització de plata a baixa temperatura.
Un cop finalitzat el mòdul, es pot aplicar al sistema de peces.
Controlador de motor Tesla Model3
El xip nu prové de ST, paquet de desenvolupament propi i sistema d'accionament elèctric
☆02 Estat de l'aplicació de SiC?
En el camp de l'automoció, els dispositius d'alimentació s'utilitzen principalmentDCDC, OBC, inversors de motor, inversors d'aire condicionat elèctric, càrrega sense fils i altres pecesque requereixen una conversió ràpida AC/DC (DCDC actua principalment com un interruptor ràpid).
Foto: BorgWarner
En comparació amb els materials basats en silici, els materials SIC són més altsintensitat del camp crític de trencament d'allaus(3×106V/cm),millor conductivitat tèrmica(49 W/mK) iinterval de banda més ampli(3,26 eV).
Com més gran sigui la bretxa de banda, més petit serà el corrent de fuga i més gran serà l'eficiència.Com millor sigui la conductivitat tèrmica, més gran serà la densitat de corrent.Com més fort sigui el camp crític de ruptura d'allaus, es pot millorar la resistència a la tensió del dispositiu.
Per tant, en el camp de l'alta tensió a bord, els MOSFET i SBD preparats amb materials de carbur de silici per substituir la combinació existent d'IGBT i FRD basat en silici poden millorar eficaçment la potència i l'eficiència.especialment en escenaris d'aplicació d'alta freqüència per reduir les pèrdues de commutació.
Actualment, el més probable és aconseguir aplicacions a gran escala en inversors de motor, seguits d'OBC i DCDC.
Plataforma de tensió de 800 V
A la plataforma de tensió de 800 V, l'avantatge de l'alta freqüència fa que les empreses estiguin més inclinades a triar la solució SiC-MOSFET.Per tant, la major part de l'actual planificació de control electrònic de 800 V SiC-MOSFET.
La planificació a nivell de plataforma incloumodern E-GMP, GM Otenergy - camp de recollida, Porsche PPE i Tesla EPA.Excepte els models de 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 Universal Ultra Energy
La planificació del model de 800 V és més,la marca del saló de la Gran Muralla Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI versió, cotxe ideal S01 i W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 va dir que portarà una plataforma de 800 V, a més de BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen també va dir que la tecnologia de 800V en investigació.
A partir de la situació de les comandes de 800 V obtingudes pels proveïdors de nivell 1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics i Huichuantotes les comandes d'accionament elèctric de 800 V anunciades.
Plataforma de tensió de 400 V
A la plataforma de tensió de 400 V, SiC-MOSFET té en compte principalment l'alta potència i la densitat de potència i l'alta eficiència.
Com ara el motor Tesla Model 3\Y que ara s'ha produït en massa, la potència màxima del motor BYD Hanhou és d'uns 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO també utilitzarà productes SiC-MOSFET a partir de ET7 i l'ET5 que apareixerà més endavant.La potència màxima és de 240Kw (ET5 210Kw).
A més, des de la perspectiva de l'alta eficiència, algunes empreses també estan explorant la viabilitat dels productes SiC-MOSFET d'inundació auxiliar.
Hora de publicació: 08-jul-2023