Sammenlignet med siliciumbaserede effekthalvledere har SiC (siliciumcarbid) effekthalvledere betydelige fordele inden for switchfrekvens, tab, varmeafledning, miniaturisering osv.
Med Teslas storstilede produktion af siliciumcarbid-invertere er flere virksomheder også begyndt at lande siliciumcarbidprodukter.
SiC er så "fantastisk", hvordan i alverden blev det lavet? Hvad er anvendelserne nu? Lad os se!
01 ☆ Fødsel af en SiC
Ligesom andre effekthalvledere omfatter SiC-MOSFET-industrikædenDen lange krystal – substrat – epitaksi – design – fremstilling – emballage som led.
Lang krystal
Under den lange krystalforbindelse anvender siliciumcarbid, i modsætning til Tira-metoden, der anvendes til enkeltkrystalsilicium, primært den fysiske gastransportmetode (PVT, også kendt som forbedret Lly eller krystalsublimeringsmetode) og supplementer til højtemperaturkemisk gasaflejringsmetode (HTCVD).
☆ Kernetrin
1. Kulsyreholdigt fast råmateriale;
2. Efter opvarmning bliver det faste karbidstof til gas;
3. Gas bevæger sig til overfladen af kimkrystallen;
4. Gas vokser på overfladen af kimkrystallen til en krystal.
Billedkilde: “Teknisk punkt til adskillelse af PVT-vækst siliciumcarbid”
Forskelligt håndværk har forårsaget to store ulemper sammenlignet med silikonebasen:
For det første er produktionen vanskelig, og udbyttet er lavt.Temperaturen i den kulstofbaserede gasfase stiger til over 2300 °C, og trykket er 350 MPa. Hele den mørke kasse udføres, og den er let at blande med urenheder. Udbyttet er lavere end siliciumbasen. Jo større diameteren er, desto lavere er udbyttet.
Det andet er langsom vækst.PVT-metoden styres meget langsomt, hastigheden er omkring 0,3-0,5 mm/t, og den kan vokse 2 cm på 7 dage. Maksimum kan kun vokse 3-5 cm, og krystalbarrens diameter er for det meste 4 tommer og 6 tommer.
Den siliciumbaserede 72H kan vokse til en højde på 2-3 m, med diametre på for det meste 6 tommer og en ny produktionskapacitet på 8 tommer til 12 tommer.Derfor kaldes siliciumcarbid ofte krystalbarre, og silicium bliver til en krystalpind.
Karbid siliciumkrystalbarrer
Substrat
Efter at den lange krystal er færdig, går den ind i substratets produktionsproces.
Efter målrettet skæring, slibning (grovslibning, finslibning), polering (mekanisk polering) og ultrapræcisionspolering (kemisk-mekanisk polering) opnås siliciumcarbidsubstratet.
Underlaget spiller hovedsageligtrollen af fysisk støtte, termisk ledningsevne og ledningsevne.Vanskeligheden ved forarbejdning er, at siliciumcarbidmaterialet har høje, sprøde og stabile kemiske egenskaber. Derfor er traditionelle siliciumbaserede forarbejdningsmetoder ikke egnede til siliciumcarbidsubstrater.
Kvaliteten af skæreeffekten påvirker direkte ydeevnen og udnyttelsesgraden (omkostningerne) af siliciumcarbidprodukter, så det er nødvendigt at have en lille, ensartet tykkelse og lav skæreevne.
I øjeblikket,4-tommer og 6-tommer bruger primært multi-line skæreudstyr,skære siliciumkrystaller i tynde skiver med en tykkelse på højst 1 mm.
Skematisk diagram over flerlinjers skæreteknik
I fremtiden, med stigningen i størrelsen af karboniserede siliciumskiver, vil kravene til materialeudnyttelse stige, og teknologier som laserskæring og kold separation vil også gradvist blive anvendt.
I 2018 opkøbte Infineon Siltectra GmbH, som udviklede en innovativ proces kendt som koldkrakning.
Sammenlignet med den traditionelle flertrådsskæringsproces er tabet på 1/4,Koldkrakningsprocessen mistede kun 1/8 af siliciumcarbidmaterialet.
Udvidelse
Da siliciumcarbidmaterialet ikke kan lave strømforsyninger direkte på substratet, kræves der forskellige forsyninger på forlængelseslaget.
Derfor, efter at produktionen af substratet er afsluttet, dyrkes en specifik tynd enkeltkrystalfilm på substratet gennem forlængelsesprocessen.
I øjeblikket anvendes hovedsageligt den kemiske gasaflejringsmetod (CVD).
Design
Efter at substratet er fremstillet, går det ind i produktdesignfasen.
For MOSFET er fokus i designprocessen designet af rillen,på den ene side for at undgå patentkrænkelse(Infineon, Rohm, ST osv. har patentlayout), og på den anden side tildække fremstillingsomkostningerne og produktionsmulighederne.
Waferfremstilling
Når produktdesignet er færdigt, går det ind i waferproduktionsfasen,og processen minder nogenlunde om siliciums, som hovedsageligt har følgende 5 trin.
☆Trin 1: Injicér masken
Et lag af siliciumoxid (SiO2)-film fremstilles, fotoresisten belægges, fotoresistmønsteret dannes gennem trinnene homogenisering, eksponering, fremkaldelse osv., og figuren overføres til oxidfilmen gennem ætsningsprocessen.
☆Trin 2: Ionimplantation
Den maskerede siliciumcarbid-wafer placeres i en ionimplantator, hvor aluminiumioner injiceres for at danne en P-type dopingzone og udglødes for at aktivere de implanterede aluminiumioner.
Oxidfilmen fjernes, nitrogenioner injiceres i et specifikt område af P-type dopingområdet for at danne et N-type ledende område af drain og source, og de implanterede nitrogenioner udglødes for at aktivere dem.
☆Trin 3: Lav gitteret
Lav gitteret. I området mellem source og drain fremstilles gateoxidlaget ved en højtemperaturoxidationsproces, og gateelektrodelaget aflejres for at danne gatekontrolstrukturen.
☆Trin 4: Fremstilling af passiveringslag
Passiveringslaget er lavet. Der aflejres et passiveringslag med gode isoleringsegenskaber for at forhindre nedbrydning mellem elektroderne.
☆Trin 5: Lav drænkildeelektroder
Lav dræn og kilde. Passiveringslaget perforeres, og metal forstøves for at danne et dræn og en kilde.
Fotokilde: Xinxi Capital
Selvom der er lille forskel mellem procesniveau og siliciumbaseret, på grund af siliciumcarbidmaterialernes egenskaber,Ionimplantation og udglødning skal udføres i et miljø med høj temperatur(op til 1600 °C) vil høj temperatur påvirke selve materialets gitterstruktur, og vanskeligheden vil også påvirke udbyttet.
Derudover, for MOSFET-komponenter,Kvaliteten af gate-ilt påvirker direkte kanalens mobilitet og gate-pålidelighed, fordi der er to slags silicium- og kulstofatomer i siliciumcarbidmaterialet.
Derfor kræves en særlig vækstmetode til gate-medium (et andet punkt er, at siliciumcarbidarket er gennemsigtigt, og positionsjusteringen på fotolitografistadiet er vanskelig for silicium).
Efter waferproduktionen er færdig, skæres den enkelte chip til en bar chip og kan pakkes efter formålet. Den almindelige proces for diskrete enheder er TO-pakning.
650V CoolSiC™ MOSFET'er i TO-247-kapsling
Foto: Infineon
Bilindustrien har høje krav til effekt og varmeafledning, og nogle gange er det nødvendigt at bygge brokredsløb direkte (halvbro eller fuldbro eller direkte pakket med dioder).
Derfor pakkes det ofte direkte i moduler eller systemer. Afhængigt af antallet af chips pakket i et enkelt modul er den almindelige form 1 i 1 (BorgWarner), 6 i 1 (Infineon) osv., og nogle virksomheder bruger en parallelordning med et enkelt rør.
Borgwarner Viper
Understøtter dobbeltsidet vandkøling og SiC-MOSFET
Infineon CoolSiC™ MOSFET-moduler
I modsætning til silicium,Siliciumcarbidmoduler fungerer ved en højere temperatur, omkring 200 °C.
Traditionelt blødt loddemateriale har et lavt smeltepunkt og kan derfor ikke opfylde temperaturkravene. Derfor bruger siliciumcarbidmoduler ofte lavtemperatursvejsning med sølvsintring.
Når modulet er færdigt, kan det anvendes på delsystemet.
Tesla Model 3 motorstyring
Den bare chip kommer fra ST, en egenudviklet pakke og et elektrisk drivsystem
☆02 Ansøgningsstatus for SiC?
Inden for bilindustrien anvendes strømforsyninger primært iDCDC, OBC, motorinvertere, elektriske klimaanlægsinvertere, trådløs opladning og andre deleder kræver hurtig AC/DC-konvertering (DCDC fungerer primært som en hurtig omskifter).
Foto: BorgWarner
Sammenlignet med siliciumbaserede materialer har SIC-materialer højerekritisk lavinenedbrydningsfeltstyrke(3×106V/cm),bedre varmeledningsevne(49W/mK) ogbredere båndgab(3,26 eV).
Jo bredere båndgabet er, desto mindre er lækstrømmen og desto højere er effektiviteten. Jo bedre varmeledningsevnen er, desto højere er strømtætheden. Jo stærkere det kritiske lavinegennembrudsfelt er, desto bedre kan enhedens spændingsmodstand forbedres.
Derfor kan MOSFET'er og SBD fremstillet af siliciumcarbidmaterialer til erstatning af den eksisterende siliciumbaserede IGBT- og FRD-kombination effektivt forbedre effekt og effektivitet inden for indbygget højspænding.især i højfrekvente applikationsscenarier for at reducere switching tab.
På nuværende tidspunkt er det mest sandsynligt, at det vil opnå storskalaapplikationer i motorinvertere, efterfulgt af OBC og DCDC.
800V spændingsplatform
På 800V spændingsplatformen gør fordelen ved høj frekvens virksomheder mere tilbøjelige til at vælge SiC-MOSFET-løsninger. Derfor er det meste af den nuværende 800V elektroniske styringsplanlægning SiC-MOSFET.
Planlægning på platformniveau inkluderermoderne E-GMP, GM Otenergy – pickup field, Porsche PPE og Tesla EPA.Bortset fra Porsche PPE-platformmodeller, der ikke eksplicit har SiC-MOSFET (den første model er silicabaseret IGBT), anvender andre køretøjsplatforme SiC-MOSFET-ordninger.
Universal Ultra energiplatform
800V modelplanlægning er mere,Great Wall Salon-mærket Jiagirong, Beiqi-pol Fox S HI-versionen, ideel bil S01 og W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 sagde, at den vil have 800V-platformen, udover BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen sagde også, at 800V-teknologi er i forskning.
Fra situationen med 800V-ordrer modtaget af Tier1-leverandører,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics og Huichuanalle annoncerede ordrer på 800V elektriske drev.
400V spændingsplatform
I 400V spændingsplatformen er SiC-MOSFET primært prioriteret med hensyn til høj effekt og effekttæthed samt høj effektivitet.
Ligesom Tesla Model 3/Y-motoren, der nu er blevet masseproduceret, har BYD Hanhou-motorens spidseffekt omkring 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW). NIO vil også bruge SiC-MOSFET-produkter startende fra ET7 og ET5, som vil blive nævnt senere. Spidseffekten er 240 kW (ET5 210 kW).
Derudover undersøger nogle virksomheder også muligheden for at supplerende SiC-MOSFET-produkter med henblik på høj effektivitet.
Opslagstidspunkt: 8. juli 2023
