У параўнанні з сілавымі паўправаднікамі на аснове крэмнію, сілавыя паўправаднікі на аснове карбіду крэмнію (SiC) маюць значныя перавагі ў частаце пераключэння, стратах, цеплааддачы, мініяцюрызацыі і г.д.
З масавай вытворчасцю інвертараў з карбіду крэмнію кампаніяй Tesla, усё больш кампаній таксама пачалі закупляць прадукцыю з карбіду крэмнію.
Карбід крэмнію такі "цудоўны", як жа яго зрабілі? Якія зараз яго прымянення? Паглядзім!
01 ☆ Нараджэнне карбіду крэмнію
Як і іншыя сілавыя паўправаднікі, прамысловы ланцужок SiC-MOSFET уключаесувязь доўгі крышталь — падкладка — эпітаксія — дызайн — вытворчасць — упакоўка.
Доўгі крышталь
Падчас доўгай крышталічнай сувязі, у адрозненне ад падрыхтоўкі метаду Тыра, які выкарыстоўваецца для монакрышталічнага крэмнію, карбід крэмнію ў асноўным выкарыстоўвае метад фізічнага транспарту газу (PVT, таксама вядомы як палепшаны метад Lly або метад сублімацыі крышталяў затраўкі), дапаўняючы гэта метадам высокатэмпературнага хімічнага газавага асаджэння (HTCUD).
☆ Асноўны крок
1. Вугляродная цвёрдая сыравіна;
2. Пасля награвання цвёрдае карбіднае рэчыва ператвараецца ў газ;
3. Газ рухаецца да паверхні затраўкі;
4. Газ расце на паверхні крышталя-зародка, ператвараючыся ў крышталь.
Крыніца выявы: «Тэхнічны момант разборкі карбіду крэмнію, атрыманага метадам PVT»
Розная якасць вырабу прывяла да двух істотных недахопаў у параўнанні з сіліконавай асновай:
Па-першае, вытворчасць складаная, а ўраджайнасць нізкая.Тэмпература газавай фазы на аснове вугляроду перавышае 2300°C, а ціск складае 350 МПа. Уся цёмная скрынка выконваецца, і яна лёгка змешваецца з прымешкамі. Выхад ніжэйшы, чым у крэмніевай асновы. Чым большы дыяметр, тым ніжэйшы выхад.
Другое — павольны рост.Кіраванне метадам PVT вельмі павольнае, хуткасць складае каля 0,3-0,5 мм/г, і ён можа вырасці на 2 см за 7 дзён. Максімальны рост можа складаць толькі 3-5 см, а дыяметр крышталічнага злітка ў асноўным складае 4 і 6 цаляў.
Крэмніевы 72H можа вырастаць да вышыні 2-3 м, з дыяметрам у асноўным 6 цаляў і 8 цаляў, новая вытворчая магутнасць - 12 цаляў.Таму карбід крэмнію часта называюць крыштальным зліткам, а крэмній — крыштальнай палачкай.
Зліткі крышталяў карбіду крэмнію
Субстрат
Пасля завяршэння доўгага крышталя ён уваходзіць у працэс вытворчасці падкладкі.
Пасля мэтанакіраванай рэзкі, шліфоўкі (грубай шліфоўкі, дробнай шліфоўкі), паліроўкі (механічнай паліроўкі) і звышдакладнай паліроўкі (хімічна-механічнай паліроўкі) атрымліваецца падкладка з карбіду крэмнію.
Падкладка ў асноўным гуляероля фізічнай апоры, цеплаправоднасці і цеплаправоднасці.Складанасць апрацоўкі заключаецца ў тым, што карбід крэмнію мае высокую глейкасць, хрумсткі і стабільны хімічны склад. Таму традыцыйныя метады апрацоўкі на аснове крэмнію не падыходзяць для падкладкі з карбіду крэмнію.
Якасць рэжучага эфекту непасрэдна ўплывае на прадукцыйнасць і эфектыўнасць выкарыстання (кошт) вырабаў з карбіду крэмнію, таму патрабуецца, каб яны былі невялікімі, аднастайнай таўшчыні і нізкай хуткасцю рэзання.
У цяперашні час,4-цалевыя і 6-цалевыя ў асноўным выкарыстоўваюць шматлінейнае рэжучае абсталяванне,разразанне крышталяў крэмнію на тонкія пласцінкі таўшчынёй не больш за 1 мм.
Схема шматлінейнага рэзання
У будучыні, з павелічэннем памеру вугляродных крэмніевых пласцін, павялічацца патрабаванні да выкарыстання матэрыялаў, і такія тэхналогіі, як лазерная нарэзка і халоднае аддзяленне, таксама будуць паступова ўжывацца.
У 2018 годзе Infineon набыла Siltectra GmbH, якая распрацавала інавацыйны працэс, вядомы як халодны крэкінг.
У параўнанні з традыцыйным працэсам шматдротавай рэзкі, страты складаюць 1/4,У працэсе халоднага расколу губляецца толькі 1/8 матэрыялу з карбіду крэмнію.
Пашырэнне
Паколькі матэрыял з карбіду крэмнію не можа ствараць сілавыя прылады непасрэдна на падкладцы, на пашыральным пласце патрабуюцца розныя прылады.
Такім чынам, пасля завяршэння вытворчасці падкладкі, на падкладцы шляхам працэсу падаўжэння вырошчваецца спецыфічная тонкая монакрышталічная плёнка.
У цяперашні час у асноўным выкарыстоўваецца працэс хімічнага газавага асаджэння (CVD).
Дызайн
Пасля вырабу падкладкі пераходзіць да этапу праектавання вырабу.
Для MOSFET у цэнтры ўвагі працэсу праектавання знаходзіцца праектаванне пазы,з аднаго боку, каб пазбегнуць парушэння патэнта(Infineon, Rohm, ST і г.д. маюць патэнтную макетку), а з іншага боку,адпавядаць тэхналагічнасці і выдаткам на вытворчасць.
Выраб пласцін
Пасля завяршэння распрацоўкі дызайну прадукт пераходзіць на этап вытворчасці пласцін,і працэс прыблізна падобны да працэсу атрымання крэмнію, які ў асноўным складаецца з наступных 5 этапаў.
☆Крок 1: Увядзіце маску
Вырабляецца пласт плёнкі з аксіду крэмнію (SiO2), пакрываецца фотарэзістам, малюнак фотарэзіста фарміруецца праз этапы гамагенізацыі, экспанавання, праяўлення і г.д., і малюнак пераносіцца на аксідную плёнку праз працэс травлення.
☆Крок 2: Іённая імплантацыя
Маскіраваная пласціна карбіду крэмнію змяшчаецца ў іённы імплантатар, куды ўводзяцца іоны алюмінію для ўтварэння зоны легіравання P-тыпу, і адпальваецца для актывацыі імплантаваных іёнаў алюмінію.
Аксідную плёнку выдаляюць, іоны азоту ўводзяць у пэўную вобласць легіруючай вобласці P-тыпу для ўтварэння праводнай вобласці N-тыпу сцёку і вытока, а імплантаваныя іоны азоту адпальваюць для іх актывацыі.
☆Крок 3: Зрабіце сетку
Зрабіце сетку. У вобласці паміж вытокам і сцёкам пласт аксіду затвора падрыхтоўваецца шляхам працэсу акіслення пры высокай тэмпературы, і пласт электрода затвора наносіцца для фарміравання структуры кіравання затворам.
☆Крок 4: Стварэнне пасівацыйных слаёў
Створаны пасівацыйны пласт. Нанесці пасівацыйны пласт з добрымі ізаляцыйнымі характарыстыкамі, каб прадухіліць прабой міжэлектродаў.
☆Крок 5: Зрабіце электроды сток-выток
Зрабіць сток і выток. Пасівацыйны пласт перфаруецца, і метал распыляецца, каб утварыць сток і выток.
Крыніца фота: Xinxi Capital
Нягледзячы на тое, што паміж узроўнем працэсу і на аснове крэмнію існуе невялікая розніца з-за характарыстык карбід-крэмніевых матэрыялаў,Іонная імплантацыя і адпал павінны праводзіцца ў асяроддзі высокай тэмпературы(да 1600°C), высокая тэмпература паўплывае на структуру рашоткі самога матэрыялу, а складанасць таксама паўплывае на выхад.
Акрамя таго, для MOSFET-кампанентаў,якасць кіслароду ў затворе непасрэдна ўплывае на рухомасць канала і надзейнасць затвора, таму што ў матэрыяле карбіду крэмнію ёсць два віды атамаў крэмнію і вугляроду.
Такім чынам, патрабуецца спецыяльны метад вырошчвання ў вентыляцыйным асяроддзі (яшчэ адзін момант заключаецца ў тым, што ліст карбіду крэмнію празрысты, і выраўноўванне пазіцый на этапе фоталітаграфіі цяжка выканаць з дапамогай крэмнію).
Пасля завяршэння вытворчасці пласціны асобны чып разразаецца на чысты чып і можа быць упакаваны ў адпаведнасці з прызначэннем. Звычайным працэсам для дыскрэтных прылад з'яўляецца ўпакоўка TO.
МАП-транзістары CoolSiC™ на 650 В у корпусе TO-247
Фота: Infineon
Аўтамабільная галіна мае высокія патрабаванні да магутнасці і цеплааддачы, і часам неабходна непасрэдна ствараць маставыя схемы (паўмоставыя або поўныя мосты, альбо непасрэдна ў камплекце з дыёдамі).
Таму яго часта ўпакоўваюць непасрэдна ў модулі або сістэмы. У залежнасці ад колькасці мікрасхем, упакаваных у адным модулі, распаўсюджанай формай з'яўляецца 1 у 1 (BorgWarner), 6 у 1 (Infineon) і г.д., а некаторыя кампаніі выкарыстоўваюць паралельную схему з адной трубкай.
Боргварнерская гадзюка
Падтрымлівае двухбаковае вадзяное астуджэнне і SiC-MOSFET
Модулі MOSFET Infineon CoolSiC™
У адрозненне ад крэмнію,Модулі з карбіду крэмнію працуюць пры больш высокай тэмпературы, каля 200°C.
Традыцыйная тэмпература плаўлення мяккага прыпою нізкая, што не дазваляе задаволіць патрабаванні да тэмпературы. Таму модулі з карбіду крэмнію часта выкарыстоўваюць нізкатэмпературны працэс спякання срэбра.
Пасля завяршэння модуля яго можна прымяніць да сістэмы дэталяў.
Кантролер рухавіка Tesla Model3
Голы чып паходзіць ад ST, уласна распрацаванага корпуса і сістэмы электрычнага прывада
☆02 Статус прымянення SiC?
У аўтамабільнай галіне сілавыя прылады ў асноўным выкарыстоўваюцца ўDCDC, OBC, інвертары рухавікоў, інвертары электрычных кандыцыянераў, бесправадная зарадка і іншыя дэталіякія патрабуюць хуткага пераўтварэння пераменнага/пастаяннага току (DCDC у асноўным дзейнічае як хуткі перамыкач).
Фота: BorgWarner
У параўнанні з матэрыяламі на аснове крэмнію, матэрыялы SIC маюць больш высокуюкрытычная напружанасць поля прарыву лавіны(3×106 В/см),лепшая цеплаправоднасць(49 Вт/мК) ібольш шырокая забароненая зона(3,26 эВ).
Чым шырэйшая забароненая зона, тым меншы ток уцечкі і тым вышэйшая эфектыўнасць. Чым лепшая цеплаправоднасць, тым вышэйшая шчыльнасць току. Чым мацнейшае крытычнае поле лавіннага прабою, тым лепш можна палепшыць супраціўленне прылады напружанню.
Такім чынам, у галіне бартавых высокавольтных прылад MOSFET і SBD, вырабленыя з карбіду крэмнію, для замены існуючай камбінацыі IGBT і FRD на аснове крэмнію могуць эфектыўна палепшыць магутнасць і эфектыўнасць.асабліва ў сцэнарах высокачастотнага прымянення, каб паменшыць страты пры пераключэнні.
У цяперашні час найбольш верагодным з'яўляецца дасягненне маштабнага прымянення ў інвертарах рухавікоў, за імі ідуць OBC і DCDC.
Платформа напружання 800 В
На платформе напружання 800 В перавага высокай частаты робіць прадпрыемствы больш схільнымі да выбару рашэнняў SiC-MOSFET. Такім чынам, большасць сучасных электронных сістэм кіравання 800 В плануюць выкарыстоўваць SiC-MOSFET.
Планаванне на ўзроўні платформы ўключаесучасны E-GMP, GM Otenergy – поле пікапаў, Porsche PPE і Tesla EPA.За выключэннем мадэляў платформы Porsche PPE, якія не маюць відавочнага ўжытку SiC-MOSFET (першая мадэль — гэта IGBT на аснове крэмнію), іншыя платформы аўтамабіляў выкарыстоўваюць схемы SiC-MOSFET.
Універсальная ультраэнергетычная платформа
Планаванне мадэлі 800V - гэта больш,Брэнд салона Great Wall Jiagirong, мадэль Beiqi pole Fox S HI, ідэальны аўтамабіль S01 і W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11 заявіў, што будзе выкарыстоўваць платформу 800V, акрамя BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen таксама заявіў, што тэхналогія 800V знаходзіцца ў распрацоўцы.
Зыходзячы з сітуацыі з заказамі на 800 В, атрыманымі пастаўшчыкамі першага ўзроўню,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics і Huichuanусе абвешчаныя заказы на электрапрывад на 800 В.
Платформа напружання 400 В
У платформе напружання 400 В, SiC-MOSFET у асноўным улічвае высокую магутнасць і шчыльнасць магутнасці, а таксама высокую эфектыўнасць.
Напрыклад, у рухавіку Tesla Model 3\Y, які зараз вырабляецца серыйна, пікавая магутнасць рухавіка BYD Hanhou складае каля 200 кВт (Tesla 202 кВт, 194 кВт, 220 кВт, BYD 180 кВт). NIO таксама будзе выкарыстоўваць прадукты SiC-MOSFET, пачынаючы з ET7 і ET5, якія будуць пералічаны пазней. Пікавая магутнасць складае 240 кВт (ET5 210 кВт).
Акрамя таго, з пункту гледжання высокай эфектыўнасці, некаторыя прадпрыемствы таксама вывучаюць магчымасць выкарыстання дадатковых прадуктаў SiC-MOSFET з затапленнем.
Час публікацыі: 08 ліпеня 2023 г.
