Sammenlignet med siliciumbaserede effekthalvledere har SiC (siliciumcarbid) effekthalvledere betydelige fordele med hensyn til omskiftningsfrekvens, 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 applikationerne nu?Lad os se!
01 ☆ Fødsel af en SiC
Som andre effekthalvledere omfatter SiC-MOSFET industrikædendet lange krystal – substrat – epitaksi – design – fremstilling – emballageled.
Lang krystal
Under den lange krystalforbindelse, i modsætning til fremstillingen af Tira-metoden, der anvendes af enkeltkrystalsilicium, anvender siliciumcarbid hovedsageligt fysisk gastransportmetode (PVT, også kendt som forbedret Lly- eller frøkrystalsublimeringsmetode), højtemperaturkemisk gasaflejringsmetode (HTCVD) ) kosttilskud.
☆ Kernetrin
1. Carbonisk fast råmateriale;
2. Efter opvarmning bliver det faste karbid til gas;
3. Gas bevæger sig til overfladen af frøkrystallen;
4. Gas vokser på overfladen af frøkrystallen til en krystal.
Billedkilde: "Teknisk punkt til adskillelse af PVT vækst siliciumcarbid"
Forskelligt håndværk har forårsaget to store ulemper sammenlignet med siliciumbasen:
For det første er produktionen vanskelig, og udbyttet er lavt.Temperaturen af den kulstofbaserede gasfase vokser over 2300 ° C, og trykket er 350 MPa.Hele den mørke æske bæres ud, og den er let at blande til urenheder.Udbyttet er lavere end siliciumbasen.Jo større diameter, jo lavere udbytte.
Den anden er langsom vækst.Styringen af PVT-metoden er meget langsom, hastigheden er omkring 0,3-0,5 mm/t, og den kan vokse 2 cm på 7 dage.Det maksimale kan kun vokse 3-5 cm, og diameteren af krystalbarren er for det meste 4 tommer og 6 tommer.
Den siliciumbaserede 72H kan vokse til en højde på 2-3m, med diametre for det meste 6 tommer og 8 tommer ny produktionskapacitet til 12 tommer.Derfor kaldes siliciumcarbid ofte for krystalbarre, og silicium bliver til en krystalstift.
Carbide silicium krystal barrer
Underlag
Efter at den lange krystal er færdig, går den ind i produktionsprocessen af substratet.
Efter målrettet skæring, slibning (grovslibning, finslibning), polering (mekanisk polering), ultra-præcisionspolering (kemisk mekanisk polering), opnås siliciumcarbidsubstratet.
Substratet spiller hovedsageligtden fysiske støttes rolle, termisk ledningsevne og ledningsevne.Vanskeligheden ved forarbejdning er, at siliciumcarbidmaterialet er højt, sprødt og stabilt i kemiske egenskaber.Derfor er traditionelle siliciumbaserede forarbejdningsmetoder ikke egnede til siliciumcarbidsubstrat.
Kvaliteten af skæreeffekten påvirker direkte ydeevnen og udnyttelseseffektiviteten (omkostningerne) af siliciumcarbidprodukter, så det er nødvendigt at være lille, ensartet tykkelse og lav skæring.
På nuværende tidspunkt4-tommer og 6-tommer bruger hovedsagelig multi-line skæreudstyr,skære siliciumkrystaller i tynde skiver med en tykkelse på ikke mere end 1 mm.
Skematisk diagram for skæring med flere linjer
I fremtiden, med stigningen i størrelsen af karboniserede siliciumwafers, vil stigningen i materialeudnyttelseskravene stige, og teknologier som laserslicing og koldseparation vil også gradvist blive anvendt.
I 2018 købte Infineon Siltectra GmbH, som udviklede en innovativ proces kendt som kold cracking.
Sammenlignet med den traditionelle multi-wire skæreprocestab på 1/4,den kolde krakningsproces mistede kun 1/8 af siliciumcarbidmaterialet.
Udvidelse
Da siliciumcarbidmaterialet ikke kan lave strømenheder direkte på underlaget, kræves der forskellige enheder på forlængelseslaget.
Derfor, efter at produktionen af substratet er afsluttet, dyrkes en specifik enkelt krystal tynd film på substratet gennem forlængelsesprocessen.
På nuværende tidspunkt anvendes hovedsageligt den kemiske gasaflejringsmetode (CVD).
Design
Efter at substratet er lavet, går det ind i produktdesignstadiet.
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 tilopfylde fremstillingsevnen og produktionsomkostningerne.
Wafer fabrikation
Efter at produktdesignet er afsluttet, går det ind i wafer-fremstillingsstadiet,og processen ligner nogenlunde siliciums, som hovedsageligt har de følgende 5 trin.
☆ Trin 1: Injicer masken
Et lag af siliciumoxid (SiO2) film fremstilles, fotoresisten belægges, fotoresistmønsteret dannes gennem trinene homogenisering, eksponering, udvikling osv., og figuren overføres til oxidfilmen gennem ætseprocessen.
☆ Trin 2: Ionimplantation
Den maskerede siliciumcarbidwafer 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 en specifik region af P-type dopingregionen for at danne en N-type ledende region af drænet og kilden, og de implanterede nitrogenioner udglødes for at aktivere dem.
☆ Trin 3: Lav gitteret
Lav gitteret.I området mellem kilden og drænet fremstilles gateoxidlaget ved højtemperaturoxidationsproces, og gateelektrodelaget afsættes for at danne gatekontrolstrukturen.
☆ Trin 4: Lav passiveringslag
Der laves passiveringslag.Anbring et passiveringslag med gode isoleringsegenskaber for at forhindre interelektrodenedbrud.
☆ Trin 5: Lav drænkildeelektroder
Lav afløb og kilde.Passiveringslaget er perforeret, og metal forstøves for at danne et dræn og en kilde.
Fotokilde: Xinxi Capital
Selvom der er lille forskel mellem procesniveauet og siliciumbaseret, på grund af siliciumcarbidmaterialernes egenskaber,ionimplantation og annealing skal udføres i et miljø med høj temperatur(op til 1600 ° C), høj temperatur vil påvirke gitterstrukturen af selve materialet, 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 er en speciel gate medium vækstmetode påkrævet (et andet punkt er, at siliciumcarbidpladen er gennemsigtig, og positionsjusteringen på fotolitografistadiet er vanskelig at silicium).
Efter at wafer-fremstillingen er afsluttet, skæres den enkelte chip til en bar chip og kan pakkes efter formålet.Den almindelige proces for diskrete enheder er TO-pakke.
650V CoolSiC™ MOSFET'er i TO-247 pakke
Foto: Infineon
Bilindustrien har høje krav til effekt og varmeafledning, og nogle gange er det nødvendigt at bygge brokredsløb direkte (halv bro eller fuld bro eller direkte pakket med dioder).
Derfor pakkes det ofte direkte ind i moduler eller systemer.Ifølge 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 enkelt-rørs parallel ordning.
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.
Traditionel blød loddetemperatur smeltepunktstemperatur er lav, kan ikke opfylde temperaturkravene.Derfor bruger siliciumcarbidmoduler ofte lavtemperatur sølvsintringssvejseproces.
Når modulet er afsluttet, kan det anvendes på reservedelssystemet.
Tesla Model3 motorcontroller
Den bare chip kommer fra ST, egenudviklet pakke og elektrisk drivsystem
☆02 Ansøgningsstatus for SiC?
Inden for bilindustrien bruges kraftenheder hovedsageligt iDCDC, OBC, motorinvertere, elektriske klimaanlæg invertere, trådløs opladning og andre deleder kræver AC/DC hurtig konvertering (DCDC fungerer hovedsageligt som en hurtig switch).
Foto: BorgWarner
Sammenlignet med siliciumbaserede materialer har SIC-materialer højereKritisk lavinesammenbrudsfeltstyrke(3×106V/cm),bedre varmeledningsevne(49W/mK) ogbredere båndgab(3,26 eV).
Jo bredere båndgabet er, jo mindre er lækstrømmen og jo højere effektivitet.Jo bedre termisk ledningsevne, jo højere strømtæthed.Jo stærkere det kritiske lavinenedbrudsfelt er, kan enhedens spændingsmodstand forbedres.
Derfor, inden for højspænding om bord, kan MOSFET'er og SBD fremstillet af siliciumcarbidmaterialer til at erstatte den eksisterende siliciumbaserede IGBT- og FRD-kombination effektivt forbedre kraften og effektiviteten,især i højfrekvente applikationsscenarier for at reducere koblingstab.
På nuværende tidspunkt er det mest sandsynligt at opnå storskalaapplikationer i motorinvertere, efterfulgt af OBC og DCDC.
800V spændingsplatform
I 800V spændingsplatformen gør fordelen ved høj frekvens virksomheder mere tilbøjelige til at vælge SiC-MOSFET-løsning.Derfor er det meste af den nuværende 800V elektronisk kontrolplanlægning SiC-MOSFET.
Planlægning på platformsniveau omfattermoderne E-GMP, GM Otenergy – pickup field, Porsche PPE og Tesla EPA.Bortset fra Porsche PPE-platformsmodeller, der ikke eksplicit bærer SiC-MOSFET (den første model er silica-baseret IGBT), anvender andre køretøjsplatforme SiC-MOSFET-ordninger.
Universal Ultra energi platform
800V modelplanlægning er mere,Great Wall Salon mærket Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI version, ideel bil S01 og W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 sagde, at det vil bære 800V platform, ud over BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, nul Run, FAW Red Flag, Volkswagen sagde også 800V teknologi i forskning.
Fra situationen med 800V-ordrer opnået af Tier1-leverandører,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics og Huichuanalle annoncerede ordrer på 800V elektrisk drev.
400V spændingsplatform
I 400V spændingsplatformen tager SiC-MOSFET hovedsageligt hensyn til høj effekt og effekttæthed og høj effektivitet.
Såsom Tesla Model 3\Y-motoren, der er blevet masseproduceret nu, spidseffekten af BYD Hanhou-motor er omkring 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO vil også bruge SiC-MOSFET-produkter fra ET7 og ET5, der vil blive opført senere.Spidseffekt er 240Kw (ET5 210Kw).
Ud fra højeffektivitetsperspektivet undersøger nogle virksomheder desuden muligheden for at oversvømme SiC-MOSFET-hjælpeprodukter.
Indlægstid: Jul-08-2023