Jämfört med kiselbaserade krafthalvledare har SiC (kiselkarbid) krafthalvledare betydande fördelar när det gäller omkopplingsfrekvens, förlust, värmeavledning, miniatyrisering, etc.
Med Teslas storskaliga produktion av växelriktare av kiselkarbid har fler företag också börjat landa kiselkarbidprodukter.
SiC är så "fantastiskt", hur i hela friden gjordes det?Vilka är applikationerna nu?Låt oss se!
01 ☆ Födelse av en SiC
Liksom andra krafthalvledare inkluderar SiC-MOSFET industrikedjanden långa kristallen – substratet – epitaxi – design – tillverkning – förpackningslänken.
Lång kristall
Under den långa kristalllänken, till skillnad från beredningen av Tira-metoden som används av enkristallkisel, antar kiselkarbid huvudsakligen fysisk gastransportmetod (PVT, även känd som förbättrad Lly- eller frökristallsublimeringsmetod), kemisk gasavsättningsmetod vid hög temperatur (HTCVD) ) kosttillskott.
☆ Kärnsteg
1. Kolhaltigt fast råmaterial;
2. Efter uppvärmning blir det fasta karbidmaterialet gas;
3. Gas rör sig till ytan av frökristallen;
4. Gas växer på frökristallens yta till en kristall.
Bildkälla: "Teknisk punkt för att demontera PVT-tillväxtkiselkarbid"
Olika hantverk har orsakat två stora nackdelar jämfört med kiselbasen:
För det första är produktionen svår och avkastningen låg.Temperaturen på den kolbaserade gasfasen växer över 2300 ° C och trycket är 350 MPa.Hela den mörka lådan bärs ut, och den är lätt att blanda till föroreningar.Utbytet är lägre än kiselbasen.Ju större diameter, desto lägre avkastning.
Det andra är långsam tillväxt.Styrningen av PVT-metoden är mycket långsam, hastigheten är cirka 0,3-0,5 mm/h och den kan växa 2 cm på 7 dagar.Maximalt kan bara växa 3-5 cm, och diametern på kristallgötet är mestadels 4 tum och 6 tum.
Den kiselbaserade 72H kan växa till en höjd av 2-3m, med diametrar mestadels 6 tum och 8-tums ny produktionskapacitet för 12 tum.Därför kallas kiselkarbid ofta för kristallgöt, och kisel blir en kristallstav.
Tackor av karbidkiselkristall
Substrat
Efter att den långa kristallen är färdig går den in i substratets produktion.
Efter riktad skärning, slipning (grovslipning, finslipning), polering (mekanisk polering), ultraprecisionspolering (kemisk mekanisk polering), erhålls kiselkarbidsubstratet.
Substratet spelar främstdet fysiska stödets roll, värmeledningsförmåga och konduktivitet.Svårigheten med bearbetningen är att kiselkarbidmaterialet är högt, krispigt och stabilt i kemiska egenskaper.Därför är traditionella kiselbaserade bearbetningsmetoder inte lämpliga för kiselkarbidsubstrat.
Kvaliteten på skäreffekten påverkar direkt prestanda och utnyttjandeeffektivitet (kostnad) för kiselkarbidprodukter, så det krävs att den är liten, jämn tjocklek och låg skärning.
För närvarande,4-tum och 6-tum använder huvudsakligen multi-line skärutrustning,skära kiselkristaller i tunna skivor med en tjocklek på högst 1 mm.
Schematisk skärning med flera linjer
I framtiden, med ökningen av storleken på karboniserade kiselwafers, kommer ökningen av kraven på materialutnyttjande att öka, och tekniker som laserskivning och kallseparering kommer också gradvis att tillämpas.
2018 förvärvade Infineon Siltectra GmbH, som utvecklade en innovativ process som kallas kallsprickning.
Jämfört med den traditionella skärprocessen med flera trådar på 1/4,kallkrackningsprocessen förlorade endast 1/8 av kiselkarbidmaterialet.
Förlängning
Eftersom kiselkarbidmaterialet inte kan göra kraftenheter direkt på substratet krävs olika enheter på förlängningsskiktet.
Därför, efter att produktionen av substratet är avslutad, odlas en specifik tunn enkristallfilm på substratet genom förlängningsprocessen.
För närvarande används huvudsakligen den kemiska gasdepositionsmetoden (CVD).
Design
Efter att substratet är tillverkat går det in i produktdesignstadiet.
För MOSFET är designprocessen i fokus utformningen av spåret,å ena sidan för att undvika patentintrång(Infineon, Rohm, ST, etc., har patentlayout), och å andra sidan tillmöta tillverkningsbarheten och tillverkningskostnaderna.
Tillverkning av rån
Efter att produktdesignen är klar går den in i wafertillverkningsstadiet,och processen är ungefär lik den för kisel, som huvudsakligen har följande 5 steg.
☆Steg 1: Injicera masken
Ett lager av kiseloxidfilm (SiO2) görs, fotoresisten beläggs, fotoresistmönstret bildas genom stegen homogenisering, exponering, framkallning, etc., och figuren överförs till oxidfilmen genom etsningsprocessen.
☆Steg 2: Jonimplantation
Den maskerade kiselkarbidskivan placeras i en jonimplantatör, där aluminiumjoner injiceras för att bilda en dopningszon av P-typ, och glödgas för att aktivera de implanterade aluminiumjonerna.
Oxidfilmen avlägsnas, kvävejoner injiceras i en specifik region av dopningsområdet av P-typ för att bilda en ledande region av N-typ av avloppet och källan, och de implanterade kvävejonerna härdas för att aktivera dem.
☆Steg 3: Gör rutnätet
Gör rutnätet.I området mellan källan och avloppet framställs grindoxidskiktet genom högtemperaturoxidationsprocess, och grindelektrodskiktet avsätts för att bilda grindkontrollstrukturen.
☆Steg 4: Gör passiveringsskikt
Passiveringsskikt görs.Avsätt ett passiveringsskikt med goda isoleringsegenskaper för att förhindra interelektrodavbrott.
☆Steg 5: Gör avloppskälla-elektroder
Gör avlopp och källa.Passiveringsskiktet är perforerat och metall sputters för att bilda ett avlopp och en källa.
Bildkälla: Xinxi Capital
Även om det är liten skillnad mellan processnivån och kiselbaserad, på grund av egenskaperna hos kiselkarbidmaterial,jonimplantation och glödgning måste utföras i en miljö med hög temperatur(upp till 1600 ° C), hög temperatur kommer att påverka materialets gallerstruktur, och svårigheten kommer också att påverka utbytet.
Dessutom, för MOSFET-komponenter,kvaliteten på grindens syre påverkar direkt kanalens rörlighet och grindens tillförlitlighet, eftersom det finns två sorters kisel- och kolatomer i kiselkarbidmaterialet.
Därför krävs en speciell gate-mediumtillväxtmetod (en annan punkt är att kiselkarbidskivan är transparent, och positionsinriktningen vid fotolitografiskedet är svår att kisel).
Efter att wafertillverkningen är slutförd skärs det enskilda chipet till ett fritt chip och kan förpackas enligt syftet.Den vanliga processen för diskreta enheter är TO-paketet.
650V CoolSiC™ MOSFETs i TO-247-paket
Foto: Infineon
Fordonsområdet har höga krav på effekt och värmeavledning, och ibland är det nödvändigt att direkt bygga brokretsar (halvbro eller helbro, eller direkt förpackade med dioder).
Därför paketeras det ofta direkt i moduler eller system.Beroende på antalet chips förpackade i en enda modul är den vanliga formen 1 på 1 (BorgWarner), 6 på 1 (Infineon), etc., och vissa företag använder ett enrörs parallellt schema.
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 mjuk lödtemperatur smältpunktstemperatur är låg, kan inte uppfylla temperaturkraven.Därför använder kiselkarbidmoduler ofta lågtemperatursvetsningsprocess för silversintring.
Efter att modulen är klar kan den appliceras på reservdelssystemet.
Tesla Model3 motorstyrenhet
Det kala chipet kommer från ST, egenutvecklat paket och elektriskt drivsystem
☆02 Ansökningsstatus för SiC?
Inom fordonsområdet används kraftenheter huvudsakligen iDCDC, OBC, motorväxelriktare, elektriska luftkonditioneringsväxelriktare, trådlös laddning och andra delarsom kräver AC/DC snabb omvandling (DCDC fungerar huvudsakligen som en snabb switch).
Foto: BorgWarner
Jämfört med silikonbaserade material har SIC-material högrekritisk lavinnedbrytning fältstyrka(3×106V/cm),bättre värmeledningsförmåga(49W/mK) ochbredare bandgap(3,26 eV).
Ju bredare bandgap, desto mindre är läckströmmen och desto högre effektivitet.Ju bättre värmeledningsförmåga, desto högre strömtäthet.Ju starkare det kritiska lavinnedbrytningsfältet är, kan enhetens spänningsmotstånd förbättras.
Därför, inom området ombord högspänning, kan MOSFETs och SBD framställda av kiselkarbidmaterial för att ersätta den befintliga kiselbaserade IGBT- och FRD-kombinationen effektivt förbättra kraften och effektiviteten,speciellt i högfrekventa tillämpningsscenarier för att minska kopplingsförlusterna.
För närvarande är det mest sannolikt att uppnå storskaliga tillämpningar i motorväxelriktare, följt av OBC och DCDC.
800V spänningsplattform
I 800V-spänningsplattformen gör fördelen med hög frekvens företag mer benägna att välja SiC-MOSFET-lösning.Därför är det mesta av den nuvarande 800V elektronisk kontrollplanering SiC-MOSFET.
Planering på plattformsnivå inkluderarmodern E-GMP, GM Otenergy – pickupfält, Porsche PPE och Tesla EPA.Förutom Porsche PPE-plattformsmodeller som inte uttryckligen bär 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 pole Fox S HI-version, idealisk bil S01 och W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 sade att det kommer att bära 800V plattform, förutom BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, noll Run, FAW Red Flag, Volkswagen sade också 800V-teknik i forskning.
Från situationen med 800V-order som erhållits av Tier1-leverantörer,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics och Huichuanalla annonserade beställningar på 800V elektrisk drivning.
400V spänningsplattform
I 400V-spänningsplattformen tar SiC-MOSFET främst hänsyn till hög effekt och effekttäthet och hög effektivitet.
Såsom Tesla Model 3\Y-motorn som har masstillverkats nu, toppeffekten för BYD Hanhou-motor är cirka 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO kommer också att använda SiC-MOSFET-produkter från och med ET7 och ET5 som kommer att listas senare.Toppeffekten är 240Kw (ET5 210Kw).
Dessutom, ur perspektivet av hög effektivitet, undersöker vissa företag också genomförbarheten av extra översvämningsprodukter av SiC-MOSFET.
Posttid: 2023-08-08