У параўнанні з сілавымі паўправаднікамі на аснове крэмнію, сілавыя паўправаднікі SiC (карбіду крэмнію) маюць значныя перавагі ў частаце пераключэння, стратах, рассейванні цяпла, мініяцюрызацыі і г.д.
З буйнамаштабнай вытворчасцю інвертараў з карбіду крэмнію кампаніяй Tesla усё больш кампаній таксама пачалі выпускаць прадукты з карбіду крэмнію.
SiC такі «дзіўны», як яго зрабілі?Якія дадаткі цяпер?Пабачым!
01 ☆ Нараджэнне SiC
Як і іншыя сілавыя паўправаднікі, прамысловая ланцужок SiC-MOSFET ўключае ў сябеспасылка доўгі крышталь – падкладка – эпітаксія – дызайн – вытворчасць – упакоўка.
Доўгі крышталь
Падчас доўгай крышталічнай сувязі, у адрозненне ад падрыхтоўкі метаду Ціры, які выкарыстоўваецца монакрышталічным крэмніем, карбід крэмнію ў асноўным прымае фізічны метад транспарціроўкі газу (PVT, таксама вядомы як палепшаны Lly або метад сублімацыі затравальных крышталяў), метад высокатэмпературнага хімічнага газавага асаджэння (HTCVD). ) дабаўкі.
☆ Асноўны крок
1. Вуглякіслая цвёрдая сыравіна;
2. Пасля награвання цвёрды карбід становіцца газам;
3. Газ рухаецца да паверхні затравочного крышталя;
4. Газ расце на паверхні затравочнага крышталя ў крышталь.
Крыніца выявы: «Тэхнічны пункт для разборкі карбіду крэмнію росту PVT»
Рознае майстэрства прывяло да двух асноўных недахопаў у параўнанні з крамянёвай асновай:
Па-першае, вытворчасць складаная, а ўраджайнасць нізкая.Тэмпература газавай фазы на аснове вугляроду вырастае вышэй за 2300 ° C, а ціск складае 350 МПа.Уся цёмная скрынка праводзіцца, і лёгка змяшаць у прымешкі.Ураджайнасць ніжэй крамянёвай асновы.Чым больш дыяметр, тым меншы ўраджай.
Другі - 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.Максімум можа вырасці толькі на 3-5 см, а дыяметр крышталічнага злітка ў асноўным складае 4 і 6 цаляў.
72H на аснове крэмнія можа вырасці да вышыні 2-3 м, з дыяметрам у асноўным 6 цаляў і 8-цалевымі новымі вытворчымі магутнасцямі для 12 цаляў.Такім чынам, карбід крэмнію часта называюць крыштальным зліткам, а крэмній становіцца крыштальнай палачкай.
Крышталі карбіду крэмнію ў злітках
Субстрат
Пасля завяршэння доўгага крышталя ён уступае ў працэс вытворчасці падкладкі.
Пасля мэтанакіраванай рэзкі, шліфоўкі (грубая шліфоўка, тонкая шліфоўка), паліроўкі (механічная паліроўка), звышдакладнай паліроўкі (хімічна-механічная паліроўка) атрымліваецца падкладка з карбіду крэмнію.
У асноўным гуляе падкладкаролю фізічнай апоры, цеплаправоднасці і праводнасці.Складанасць апрацоўкі заключаецца ў тым, што матэрыял з карбіду крэмнія высокі, хрумсткі і стабільны па хімічных уласцівасцях.Такім чынам, 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 яны павінны быць невялікімі, аднолькавай таўшчыні і нізкай рэзкі.
Зараз,4-цалевыя і 6-цалевыя ў асноўным выкарыстоўваюць шматлінейнае рэжучае абсталяванне,рэзка крышталяў крэмнія на тонкія лустачкі таўшчынёй не больш за 1 мм.
Прынцыповая схема шматлінейнай рэзкі
У будучыні з павелічэннем памеру карбанізаваных крэмніевых пласцін будуць павялічвацца патрабаванні да выкарыстання матэрыялаў, і паступова будуць прымяняцца такія тэхналогіі, як лазерная нарэзка і халоднае аддзяленне.
У 2018 годзе Infineon набыла Siltectra GmbH, якая распрацавала інавацыйны працэс, вядомы як халодны крэкінг.
У параўнанні з традыцыйным працэсам шматправадной рэзкі страта складае 1/4,працэс халоднага крэкінгу страціў толькі 1/8 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 таго, як вытворчасць падкладкі завершана, спецыфічная монакрышталічная тонкая плёнка вырошчваецца на падкладцы ў працэсе пашырэння.
У цяперашні час у асноўным выкарыстоўваецца метад хімічнага газавага асаджэння (CVD).
Дызайн
Пасля таго, як падкладка выраблена, яна пераходзіць на стадыю праектавання прадукту.
Для MOSFET працэс праектавання ў цэнтры ўвагі канаўкі,з аднаго боку, каб пазбегнуць парушэння патэнта(Infineon, Rohm, ST і г.д., маюць патэнтны макет), а з другога бокузадаволіць тэхналагічнасць і сабекошт вытворчасці.
Выраб пласцін
Пасля завяршэння праектавання прадукту ён пераходзіць на стадыю вытворчасці пласцін,і гэты працэс прыкладна аналагічны працэсу з крэмніем, які ў асноўным складаецца з наступных 5 этапаў.
☆Крок 1: увядзіце маску
Вырабляецца пласт плёнкі з аксіду крэмнію (SiO2), на фотарэзіст наносіцца пакрыццё, узор фотарэзіста фармуецца праз этапы гамагенізацыі, экспазіцыі, праявы і г.д., а фігура пераносіцца на аксідную плёнку праз працэс тручэння.
☆Крок 2: Іённая імплантацыя
Замаскіраваная пласціна карбіду крэмнію змяшчаецца ў іённы імплантатар, куды ўводзяць іёны алюмінія для фарміравання зоны легіравання тыпу P і адпальваюць для актывацыі імплантаваных іёнаў алюмінія.
Аксідная плёнка выдаляецца, іёны азоту ўпырскваюцца ў пэўную вобласць вобласці легіравання P-тыпу, каб сфармаваць праводную вобласць N-тыпу сцёку і крыніцы, і імплантаваныя іёны азоту адпальваюцца для іх актывацыі.
☆Крок 3: Стварыце сетку
Зрабіце сетку.У вобласці паміж крыніцай і сцёкам аксідны пласт засаўкі рыхтуецца працэсам высокатэмпературнага акіслення, а пласт электрода засаўкі наносіцца для фарміравання структуры кіравання засаўкай.
☆Крок 4: Стварэнне слаёў пасівацыі
Вырабляецца пасіўны пласт.Каб прадухіліць межэлектродный пробой, нанясіце пасіўны пласт з добрымі ізаляцыйнымі характарыстыкамі.
☆Крок 5: Зрабіце электроды сток-выток
Зрабіць сцёк і крыніца.Пасіўны пласт перфараваны, а метал напылены для фарміравання сцёку і крыніцы.
Крыніца фота: Xinxi Capital
Нягледзячы на тое, што існуе невялікая розніца паміж узроўнем працэсу і на аснове крэмнію, з-за характарыстык матэрыялаў з карбіду крэмнію,іённую імплантацыю і адпал неабходна праводзіць пры высокай тэмпературы(да 1600 ° C), высокая тэмпература будзе ўплываць на структуру рашоткі самога матэрыялу, і складанасць таксама паўплывае на ўраджайнасць.
Акрамя таго, для кампанентаў MOSFET,якасць варот кіслароду непасрэдна ўплывае на рухомасць канала і надзейнасць варот, таму што ёсць два віды атамаў крэмнію і вугляроду ў матэрыяле карбіду крэмнію.
Такім чынам, патрабуецца спецыяльны метад вырошчвання варотнай асяроддзя (яшчэ адзін момант заключаецца ў тым, што ліст карбіду крэмнію празрысты, і выраўноўванне пазіцыі на этапе фоталітаграфіі цяжка для крэмнія).
Пасля завяршэння вытворчасці пласцін асобны чып разразаецца на голы чып і можа быць упакаваны ў адпаведнасці з прызначэннем.Агульны працэс для дыскрэтных прылад - пакет TO.
МАП-транзістары CoolSiC™ на 650 В у корпусе TO-247
Фота: Infineon
У аўтамабільнай галіне прад'яўляюцца высокія патрабаванні да магутнасці і цеплавыдзялення, і часам неабходна непасрэдна будаваць маставыя схемы (паўмост або поўны мост, або непасрэдна ў камплекце з дыёдамі).
Такім чынам, ён часта пакуецца непасрэдна ў модулі або сістэмы.У залежнасці ад колькасці чыпаў, упакаваных у адзін модуль, звычайная форма - 1 у 1 (BorgWarner), 6 у 1 (Infineon) і г.д., а некаторыя кампаніі выкарыстоўваюць аднатрубную паралельную схему.
Borgwarner Viper
Падтрымлівае двухбаковае вадзяное астуджэнне і SiC-MOSFET
Модулі MOSFET Infineon CoolSiC™
У адрозненне ад крэмнія,модулі з карбіду крэмнія працуюць пры больш высокай тэмпературы, каля 200 ° C.
Традыцыйная тэмпература мяккага прыпоя тэмпература плаўлення нізкая, не можа задаволіць тэмпературныя патрабаванні.Такім чынам, модулі з карбіду крэмнію часта выкарыстоўваюць працэс зваркі пры нізкатэмпературным спяканні срэбра.
Пасля таго, як модуль завершаны, яго можна прымяніць да сістэмы дэталяў.
Кантролер рухавіка Tesla Model3
Голы чып паходзіць ад ST, пакета ўласнай распрацоўкі і сістэмы электрычнага прывада
☆02 Статус прымянення SiC?
У аўтамабільнай сферы ў асноўным выкарыстоўваюцца сілавыя прыладыDCDC, OBC, інвертары рухавікоў, інвертары электрычных кандыцыянераў, бесправадная зарадка і іншыя дэталіякія патрабуюць хуткага пераўтварэння AC/DC (DCDC у асноўным дзейнічае як хуткі перамыкач).
Фота: BorgWarner
У параўнанні з матэрыяламі на аснове крэмнію, SIC матэрыялы маюць больш высокуюнапружанасць поля крытычнага лавіннага прабоя(3 × 106 В/см),лепшая цеплаправоднасць(49 Вт/мК) ібольш шырокі зазор(3,26 эВ).
Чым шырэй забароненая зона, тым менш ток уцечкі і вышэй эфектыўнасць.Чым лепш цеплаправоднасць, тым вышэй шчыльнасць току.Чым мацней поле крытычнага лавіннага прабоя, тым лепш можа быць устойлівасць прылады да напружання.
Такім чынам, у галіне бартавога высокага напружання МАП-транзістары і SBD, прыгатаваныя з матэрыялаў з карбіду крэмнію, каб замяніць існуючую камбінацыю IGBT і FRD на аснове крэмнія, могуць эфектыўна павысіць магутнасць і эфектыўнасць,асабліва ў высокачашчынных сцэнарах прымянення, каб паменшыць страты пры пераключэнні.
У цяперашні час найбольш верагодна дасягненне шырокамаштабнага прымянення ў інвертарах рухавікоў, за якімі ідуць OBC і DCDC.
Платформа з напругай 800 В
У платформе з напругай 800 В перавага высокай частаты робіць прадпрыемствы больш схільнымі выбіраць рашэнне SiC-MOSFET.Такім чынам, большасць з бягучага 800V электроннага кіравання планавання SiC-MOSFET.
Планаванне на ўзроўні платформы ўключаесучасны E-GMP, GM Otenergy – пікап-поле, Porsche PPE і Tesla EPA.За выключэннем мадэляў платформы Porsche PPE, якія відавочна не маюць SiC-MOSFET (першая мадэль - гэта IGBT на аснове кремнезема), іншыя аўтамабільныя платформы выкарыстоўваюць схемы SiC-MOSFET.
Універсальная энергетычная платформа Ultra
Планаванне мадэлі 800 В больш,брэнд Great Wall Salon Jiagirong, версія Beiqi pole Fox S HI, ідэальны аўтамабіль S01 і W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 сказаў, што ён будзе несці платформу 800V, у дадатак да BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen таксама сказаў, што тэхналогія 800V у даследаванні.
Зыходзячы з сітуацыі з заказамі на 800 В, атрыманымі пастаўшчыкамі Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics і Huichuanусе абвешчаныя заказы на электрапрывад 800В.
Платформа з напругай 400 В
У платформе напружання 400 В SiC-MOSFET у асноўным разглядае высокую магутнасць і шчыльнасць магутнасці і высокую эфектыўнасць.
Напрыклад, рухавік Tesla Model 3\Y, які цяпер выпускаецца масава, пікавая магутнасць рухавіка BYD Hanhou складае каля 200 кВт (Tesla 202 кВт, 194 кВт, 220 кВт, BYD 180 кВт), NIO таксама будзе выкарыстоўваць прадукцыю 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 дапаможных вырабаў SiC-MOSFET для затаплення.
Час публікацыі: 8 ліпеня 2023 г