Jämfört med kiselbaserade krafthalvledare har SiC (kiselkarbid) krafthalvledare betydande fördelar vad gäller switchfrekvens, förlust, värmeavledning, miniatyrisering etc.
I och med Teslas storskaliga produktion av kiselkarbidväxelriktare har fler företag också börjat landa kiselkarbidprodukter.
SiC är så "fantastiskt", hur i hela friden tillverkades det? Vilka är tillämpningarna nu? Nu får vi se!
01 ☆ Födelsen av en SiC
Liksom andra krafthalvledare inkluderar SiC-MOSFET-industrikedjanLänken mellan lång kristall – substrat – epitaxi – design – tillverkning – förpackning.
Lång kristall
Under långkristalllänken, till skillnad från Tira-metoden som används för enkristallkisel, använder kiselkarbid huvudsakligen den fysiska gastransportmetoden (PVT, även känd som förbättrad Lly eller ympkristallsublimeringsmetod) och tillägg av högtemperaturkemisk gasavsättningsmetod (HTCVD).
☆ Kärnsteg
1. Kolhaltigt fast råmaterial;
2. Efter uppvärmning blir det fasta karbidet gasformigt;
3. Gas rör sig till ytan av ytkristallen;
4. Gas växer på ytan av ytkristallen till en kristall.
Bildkälla: ”Teknisk punkt för att demontera PVT-tillväxtkiselkarbid”
Olika hantverksmässiga åtgärder har orsakat två stora nackdelar jämfört med kiselbasen:
För det första är produktionen svår och avkastningen låg.Temperaturen i den kolbaserade gasfasen stiger över 2300 °C och trycket är 350 MPa. Hela den mörka lådan utförs, vilket gör det lätt att blanda in föroreningar. Utbytet är lägre än för kiselbasen. Ju större diameter, desto lägre utbyte.
Det andra är långsam tillväxt.PVT-metoden styrs mycket långsamt, hastigheten är cirka 0,3–0,5 mm/h, och den kan växa 2 cm på 7 dagar. Den maximala tillväxten är 3–5 cm, och kristallgötets diameter är mestadels 4 och 6 tum.
Den kiselbaserade 72H-en kan bli 2–3 m hög, med diametrar på mestadels 15 cm och en ny produktionskapacitet på 20 cm för 30 cm.Därför kallas kiselkarbid ofta kristallgöt, och kisel blir en kristallpinne.
Karbidkiselkristallgöt
Substrat
Efter att den långa kristallen är färdigställd går den in i substratets produktionsprocess.
Efter riktad skärning, slipning (grovslipning, finslipning), polering (mekanisk polering) och ultraprecisionspolering (kemisk-mekanisk polering) erhålls kiselkarbidsubstratet.
Underlaget spelar huvudsakligenrollen av fysiskt stöd, värmeledningsförmåga och konduktivitet.Svårigheten med bearbetningen är att kiselkarbidmaterialet har höga, krispiga och stabila kemiska egenskaper. Därför är traditionella kiselbaserade bearbetningsmetoder inte lämpliga för kiselkarbidsubstrat.
Kvaliteten på skäreffekten påverkar direkt prestandan och utnyttjandegraden (kostnaden) för kiselkarbidprodukter, så det krävs att de är små, har jämn tjocklek och har låg skärförmåga.
För närvarande,4-tums och 6-tums använder huvudsakligen skärutrustning för flera linjer,skärning av kiselkristaller i tunna skivor med en tjocklek av högst 1 mm.
Schematiskt diagram för flerlinjers skärning
I framtiden, med ökningen av storleken på karboniserade kiselskivor, kommer kraven på materialutnyttjande att öka, och tekniker som laserskärning och kallseparation kommer också gradvis att tillämpas.
År 2018 förvärvade Infineon Siltectra GmbH, som utvecklade en innovativ process som kallas kallkrackning.
Jämfört med den traditionella flertrådsskärprocessen förlust på 1/4,kallkrackningsprocessen förlorade bara 1/8 av kiselkarbidmaterialet.
Förlängning
Eftersom kiselkarbidmaterialet inte kan tillverka kraftkomponenter direkt på substratet krävs olika komponenter på förlängningsskiktet.
Därför, efter att produktionen av substratet är avslutad, odlas en specifik tunn enkristallfilm på substratet genom extensionsprocessen.
För närvarande används huvudsakligen den kemiska gasdeponeringsmetoden (CVD).
Design
Efter att substratet är tillverkat går det in i produktdesignfasen.
För MOSFET ligger fokus i designprocessen på utformningen av spåret,å ena sidan för att undvika patentintrång(Infineon, Rohm, ST, etc., har patentlayout), och å andra sidan tillmöta tillverkningskostnaderna och tillverkningsbarheten.
Wafertillverkning
Efter att produktdesignen är klar går den in i tillverkningsstadiet av wafern,och processen är ungefär lik den för kisel, som huvudsakligen har följande 5 steg.
☆Steg 1: Injicera masken
Ett lager av kiseloxid (SiO2)-film tillverkas, fotoresisten beläggs, fotoresistmönstret formas genom stegen homogenisering, exponering, framkallning etc., och figuren överförs till oxidfilmen genom etsningsprocessen.
☆Steg 2: Jonimplantation
Den maskerade kiselkarbidskivan placeras i en jonimplantat, där aluminiumjoner injiceras för att bilda en P-typ dopningszon, och glödgas för att aktivera de implanterade aluminiumjonerna.
Oxidfilmen avlägsnas, kvävejoner injiceras i ett specifikt område av P-typ-dopningsregionen för att bilda ett N-typ-ledande område av dräneringen och källan, och de implanterade kvävejonerna glödgas för att aktivera dem.
☆Steg 3: Skapa rutnätet
Skapa rutnätet. I området mellan source och drain framställs gate-oxidskiktet genom högtemperaturoxidationsprocess, och gate-elektrodskiktet avsätts för att bilda gate-kontrollstrukturen.
☆Steg 4: Skapa passiveringslager
Passiveringsskiktet är tillverkat. Avsätt ett passiveringsskikt med goda isoleringsegenskaper för att förhindra genombrott mellan elektroderna.
☆Steg 5: Tillverkar dräneringskällans elektroder
Gör dränering och källa. Passiveringsskiktet perforeras och metall förstoftas för att bilda ett dränering och en källa.
Bildkälla: Xinxi Capital
Även om det är liten skillnad mellan processnivå och kiselbaserade material, på grund av egenskaperna hos kiselkarbidmaterial,Jonimplantation och glödgning måste utföras i en miljö med hög temperatur(upp till 1600 ° C) kommer hög temperatur att påverka materialets gitterstruktur, och svårighetsgraden kommer också att påverka utbytet.
Dessutom, för MOSFET-komponenter,Kvaliteten på grindsyret påverkar direkt kanalens rörlighet och grindens tillförlitlighet, eftersom det finns två typer av kisel- och kolatomer i kiselkarbidmaterialet.
Därför krävs en speciell metod för tillväxt av grindmedium (en annan punkt är att kiselkarbidarket är transparent, och positionsinriktningen i fotolitografiskedet är svår för kisel).
Efter att wafertillverkningen är klar skärs det enskilda chipet till ett bart chip och kan paketeras enligt syftet. Den vanliga processen för diskreta komponenter är TO-paketering.
650V CoolSiC™ MOSFET i TO-247-kapsling
Foto: Infineon
Bilindustrin har höga krav på effekt och värmeavledning, och ibland är det nödvändigt att bygga bryggkretsar direkt (halvbrygga eller helbrygga, eller direktkapslade med dioder).
Därför paketeras det ofta direkt i moduler eller system. Beroende på antalet chip som är förpackade i en enda modul är den vanliga formen 1 i 1 (BorgWarner), 6 i 1 (Infineon), etc., och vissa företag använder ett parallellt schema med ett enda rör.
Borgwarner Viper
Stöder dubbelsidig vattenkylning och SiC-MOSFET
Infineon CoolSiC™ MOSFET-moduler
Till skillnad från kisel,kiselkarbidmoduler arbetar vid en högre temperatur, cirka 200 °C.
Traditionell mjuklödning har låg smältpunkt och kan därför inte uppfylla temperaturkraven. Därför använder kiselkarbidmoduler ofta lågtemperatursvetsning med silversintring.
När modulen är klar kan den tillämpas på detaljsystemet.
Tesla Model 3 motorstyrenhet
Det bara chipet kommer från ST, ett egenutvecklat paket och ett elektriskt drivsystem
☆02 Ansökningsstatus för SiC?
Inom fordonsindustrin används kraftenheter huvudsakligen iDCDC, OBC, motorväxelriktare, elektriska luftkonditioneringsväxelriktare, trådlös laddning och andra delarsom kräver snabb AC/DC-omvandling (DCDC fungerar huvudsakligen som en snabb omkopplare).
Foto: BorgWarner
Jämfört med kiselbaserade material har SIC-material högrekritisk lavinnebrottsfältstyrka(3×106V/cm),bättre värmeledningsförmåga(49W/mK) ochbredare bandgap(3,26 eV).
Ju bredare bandgapet är, desto mindre läckström och desto högre verkningsgrad. Ju bättre värmeledningsförmåga, desto högre strömtäthet. Ju starkare det kritiska lavingebrottsfältet är, desto bättre kan enhetens spänningsresistans.
Därför kan MOSFET och SBD framställda av kiselkarbidmaterial för att ersätta den befintliga kiselbaserade IGBT- och FRD-kombinationen effektivt förbättra effekt och effektivitet inom området för inbyggda högspänningskretsar.särskilt i högfrekventa applikationsscenarier för att minska kopplingsförluster.
För närvarande är det mest sannolikt att det uppnås storskaliga tillämpningar inom motorväxelriktare, följt av OBC och DCDC.
800V spänningsplattform
På 800V-spänningsplattformen gör fördelen med hög frekvens företag mer benägna att välja SiC-MOSFET-lösningar. Därför planerar de flesta nuvarande 800V elektroniska styrsystem för SiC-MOSFET.
Planering på plattformsnivå inkluderarmodern E-GMP, GM Otenergy – pickupfält, Porsche PPE och Tesla EPA.Förutom Porsche PPE-plattformsmodeller som inte uttryckligen har SiC-MOSFET (den första modellen är kiseldioxidbaserad IGBT), använder andra fordonsplattformar SiC-MOSFET-scheman.
Universal Ultra energiplattform
800V-modellplanering är mer,Great Wall Salon-märket Jiagirong, Beiqi-polen Fox S HI-versionen, idealbilen S01 och W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 sa att den kommer att bära 800V-plattformen, utöver BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen sa också att 800V-tekniken är i forskningen.
Från situationen med 800V-beställningar som erhållits av Tier1-leverantörer,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics och Huichuanalla aviserade beställningar på 800V elektriska drivenheter.
400V spänningsplattform
I 400V-spänningsplattformen beaktas SiC-MOSFET huvudsakligen för hög effekt och effekttäthet samt hög verkningsgrad.
Precis som Tesla Model 3\Y-motorn som massproducerats nu, har BYD Hanhou-motorn en toppeffekt på cirka 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW). NIO kommer också att använda SiC-MOSFET-produkter från ET7 och ET5, som kommer att listas senare. Toppeffekten är 240 kW (ET5 210 kW).
Dessutom undersöker vissa företag, ur ett högeffektivt perspektiv, möjligheten att använda hjälpfyllda SiC-MOSFET-produkter.
Publiceringstid: 8 juli 2023
