W porównaniu z półprzewodnikami mocy na bazie krzemu, półprzewodniki mocy SiC (węglik krzemu) mają istotne zalety pod względem częstotliwości przełączania, strat, rozpraszania ciepła, miniaturyzacji itp.
Wraz z masową produkcją inwerterów z węglika krzemu przez firmę Tesla, więcej firm również zaczęło oferować produkty z węglika krzemu.
SiC jest taki „niesamowity”, jak do cholery powstał? Jakie są teraz jego zastosowania? Zobaczmy!
01 ☆ Narodziny SiC
Podobnie jak w przypadku innych półprzewodników mocy, łańcuch przemysłowy SiC-MOSFET obejmujeogniwo łączące długi kryształ – podłoże – epitaksja – projekt – produkcja – opakowanie.
Długi kryształ
W przypadku długiego wiązania krystalicznego, w przeciwieństwie do metody Tira stosowanej w przypadku monokrystalicznego krzemu, węglik krzemu wykorzystuje głównie metodę fizycznego transportu gazu (PVT, znaną również jako ulepszona metoda Lly lub sublimacji kryształu zaszczepiającego), a także uzupełnia ją metoda osadzania chemicznego gazu w wysokiej temperaturze (HTCVD).
☆ Krok podstawowy
1. Surowiec stały węglowy;
2. Po podgrzaniu stały węglik staje się gazem;
3. Gaz przemieszcza się w kierunku powierzchni kryształu zarodkowego;
4. Gaz rośnie na powierzchni kryształu zarodkowego i tworzy kryształ.
Źródło zdjęcia: „Punkt techniczny demontażu węglika krzemu z procesu wzrostu PVT”
Różny sposób wykonania powoduje dwie główne wady w porównaniu z podstawą silikonową:
Po pierwsze, produkcja jest trudna, a wydajność niska.Temperatura fazy gazowej na bazie węgla przekracza 2300°C, a ciśnienie wynosi 350 MPa. Cała ciemna komora jest wypełniona, a zanieczyszczenia łatwo się mieszają. Wydajność jest niższa niż w przypadku bazy krzemowej. Im większa średnica, tym niższa wydajność.
Drugą przyczyną jest powolny wzrost.Metoda PVT jest bardzo powolna, prędkość wynosi około 0,3-0,5 mm/h, a kryształ może urosnąć o 2 cm w ciągu 7 dni. Maksymalny wzrost wynosi zaledwie 3-5 cm, a średnica kryształu wynosi zazwyczaj 4 cale i 6 cali.
Oparty na krzemie model 72H może osiągnąć wysokość 2-3 metrów, przy średnicy wynoszącej przeważnie 6 cali i 8 cali; nowa zdolność produkcyjna obejmuje również 12 cali.Z tego powodu węglik krzemu jest często nazywany sztabką krystaliczną, a krzem staje się sztabką krystaliczną.
Sztabki kryształów węglika krzemu
Podłoże
Po zakończeniu procesu formowania długiego kryształu rozpoczyna się proces produkcji podłoża.
Po ukierunkowanym cięciu, szlifowaniu (zgrubnym, dokładnym), polerowaniu (mechanicznym), polerowaniu z najwyższą precyzją (chemiczno-mechanicznym) uzyskuje się podłoże z węglika krzemu.
Podłoże głównie odgrywarola podparcia fizycznego, przewodnictwa cieplnego i przewodności.Trudność w obróbce polega na tym, że węglik krzemu charakteryzuje się wysoką, kruchą strukturą i stabilnymi właściwościami chemicznymi. Dlatego tradycyjne metody obróbki oparte na krzemie nie nadają się do podłoża z węglika krzemu.
Jakość efektu cięcia ma bezpośredni wpływ na wydajność i efektywność wykorzystania (koszt) produktów z węglika krzemu, dlatego wymagane jest, aby był on mały, o jednolitej grubości i niskim współczynniku skrawania.
Obecnie,Do cięcia płyt 4-calowych i 6-calowych stosuje się głównie urządzenia tnące wieloliniowe,cięcie kryształów krzemu na cienkie plasterki o grubości nie większej niż 1 mm.
Schemat cięcia wieloliniowego
W przyszłości, wraz ze wzrostem rozmiarów karbonizowanych płytek krzemowych, wzrosną wymagania dotyczące wykorzystania materiałów, a technologie takie jak cięcie laserowe i separacja na zimno będą stopniowo stosowane.
W 2018 roku Infineon przejął firmę Siltectra GmbH, która opracowała innowacyjny proces znany jako kraking na zimno.
W porównaniu ze stratą 1/4 w tradycyjnym procesie cięcia wielodrutowego,proces pękania na zimno spowodował utratę jedynie 1/8 materiału węglika krzemu.
Rozszerzenie
Ponieważ materiał z węglika krzemu nie może tworzyć urządzeń energetycznych bezpośrednio na podłożu, na warstwie rozszerzającej wymagane są różne urządzenia.
Dlatego po zakończeniu produkcji podłoża, poprzez proces wydłużania, na podłożu wytwarza się specyficzną cienką warstwę monokrystaliczną.
Obecnie stosuje się głównie metodę osadzania chemicznego gazów (CVD).
Projekt
Po przygotowaniu podłoża rozpoczyna się etap projektowania produktu.
W przypadku MOSFET-ów najważniejszym elementem procesu projektowania jest zaprojektowanie rowka,z jednej strony, aby uniknąć naruszenia patentu(Infineon, Rohm, ST itp. posiadają układ patentowy), a z drugiej stronyaby sprostać kosztom produkcji i wytwarzania.
Produkcja płytek
Po zakończeniu projektowania produktu rozpoczyna się etap produkcji płytek,a proces ten jest w przybliżeniu podobny do tego w przypadku krzemu i składa się głównie z następujących 5 etapów.
☆Krok 1: Wstrzyknij maskę
Wykonuje się warstwę tlenku krzemu (SiO2), nanosi się warstwę fotorezystu, formuje się wzór fotorezystu poprzez homogenizację, naświetlanie, wywoływanie itd., a następnie rysunek jest przenoszony na warstwę tlenku poprzez proces trawienia.
☆Krok 2: Implantacja jonów
Zamaskowany wafel węglika krzemu umieszczany jest w implantatorze jonów, gdzie wtryskiwane są jony glinu w celu utworzenia strefy domieszkowania typu P, a następnie wyżarzane w celu aktywacji wszczepionych jonów glinu.
Warstwę tlenku usuwa się, jony azotu wstrzykiwane są do określonego obszaru domieszkowania typu P, aby utworzyć obszar przewodzący typu N drenu i źródła, a następnie wszczepione jony azotu są wyżarzane w celu ich aktywacji.
☆Krok 3: Utwórz siatkę
Wykonaj siatkę. W obszarze między źródłem a drenem, warstwa tlenku bramki jest przygotowywana w procesie utleniania w wysokiej temperaturze, a warstwa elektrody bramki jest osadzana, tworząc strukturę sterowania bramką.
☆Krok 4: Wykonywanie warstw pasywacyjnych
Wykonano warstwę pasywacyjną. Nałóż warstwę pasywacyjną o dobrych właściwościach izolacyjnych, aby zapobiec przebiciu elektrod.
☆Krok 5: Wykonaj elektrody dren-źródło
Utwórz odpływ i źródło. Warstwa pasywacyjna jest perforowana, a metal jest napylany, aby utworzyć odpływ i źródło.
Źródło zdjęcia: Stolica Xinxi
Chociaż istnieje niewielka różnica między procesem na poziomie procesu a procesem na bazie krzemu, ze względu na właściwości materiałów z węglika krzemu,implantację jonów i wyżarzanie należy przeprowadzać w środowisku o wysokiej temperaturze(do 1600 ° C), wysoka temperatura wpływa na strukturę sieciową samego materiału, a trudność wpływa również na wydajność.
Ponadto w przypadku elementów MOSFET,jakość tlenu w bramce ma bezpośredni wpływ na ruchliwość kanału i niezawodność bramkiPonieważ w materiale węglika krzemu występują dwa rodzaje atomów krzemu i węgla.
W związku z tym konieczna jest specjalna metoda wzrostu w medium bramkowym (kolejnym problemem jest to, że płytka z węglika krzemu jest przezroczysta, a wyrównanie położenia na etapie fotolitografii jest trudne w przypadku krzemu).
Po zakończeniu produkcji wafli, każdy chip jest cięty na goły chip i może być pakowany zgodnie z przeznaczeniem. Powszechnym procesem w przypadku urządzeń dyskretnych jest pakowanie w folię (TO).
Tranzystory MOSFET CoolSiC™ 650 V w obudowie TO-247
Zdjęcie: Infineon
W przemyśle motoryzacyjnym obowiązują wysokie wymagania dotyczące mocy i rozpraszania ciepła, a czasami konieczne jest bezpośrednie budowanie układów mostkowych (półmostkowych lub pełnych, bądź bezpośrednio w obudowach z diodami).
Dlatego często jest on pakowany bezpośrednio w moduły lub systemy. W zależności od liczby układów scalonych w pojedynczym module, powszechną formą jest 1 w 1 (BorgWarner), 6 w 1 (Infineon) itd., a niektóre firmy stosują układ równoległy z pojedynczą rurą.
Żmija Borgwarnera
Obsługuje dwustronne chłodzenie wodne i SiC-MOSFET
Moduły MOSFET Infineon CoolSiC™
W przeciwieństwie do krzemu,Moduły z węglika krzemu pracują w wyższej temperaturze, około 200 °C.
Tradycyjny lut miękki charakteryzuje się niską temperaturą topnienia, co uniemożliwia spełnienie wymagań temperaturowych. Dlatego moduły z węglika krzemu często wykorzystują niskotemperaturowy proces spawania z wykorzystaniem spiekania srebra.
Po ukończeniu modułu można go zastosować w systemie części.
Kontroler silnika Tesla Model3
Goły układ pochodzi od firmy ST, samodzielnie opracowanej obudowy i układu napędowego elektrycznego
☆02 Jaki jest status aplikacji SiC?
W branży motoryzacyjnej urządzenia elektryczne stosuje się głównie w:DCDC, OBC, falowniki silników, falowniki klimatyzacji elektrycznej, ładowanie bezprzewodowe i inne częściktóre wymagają szybkiej konwersji prądu przemiennego na stały (DC/DC działa głównie jako szybkie przełączanie).
Zdjęcie: BorgWarner
W porównaniu z materiałami na bazie krzemu, materiały SIC mają wyższąkrytyczna siła pola przebicia lawiny(3×106V/cm),lepsza przewodność cieplna(49W/mK) iszersza przerwa pasmowa(3,26 eV).
Im szersza przerwa pasmowa, tym mniejszy prąd upływu i wyższa sprawność. Im lepsza przewodność cieplna, tym wyższa gęstość prądu. Im silniejsze jest krytyczne pole przebicia lawinowego, tym lepsza może być rezystancja napięciowa urządzenia.
Dlatego w dziedzinie pokładowych układów wysokiego napięcia tranzystory MOSFET i SBD przygotowane z węglika krzemu, które mają zastąpić istniejące połączenie tranzystorów IGBT i FRD na bazie krzemu, mogą skutecznie zwiększyć moc i wydajność,szczególnie w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości w celu zmniejszenia strat przełączania.
Obecnie najprawdopodobniej znajdzie ona zastosowanie na dużą skalę w falownikach silnikowych, a następnie w OBC i DCDC.
Platforma napięciowa 800V
W przypadku platformy napięciowej 800 V, zaleta wysokiej częstotliwości sprawia, że przedsiębiorstwa chętniej wybierają rozwiązania SiC-MOSFET. Dlatego większość obecnych rozwiązań elektronicznych do planowania sterowania 800 V wykorzystuje SiC-MOSFET.
Planowanie na poziomie platformy obejmuje:nowoczesne E-GMP, GM Otenergy – pole pick-upów, Porsche PPE i Tesla EPA.Z wyjątkiem modeli platform Porsche PPE, które nie są wyraźnie wyposażone w tranzystory SiC-MOSFET (pierwszy model to tranzystor IGBT na bazie krzemionki), pozostałe platformy pojazdów wykorzystują rozwiązania SiC-MOSFET.
Uniwersalna platforma energetyczna Ultra
Planowanie modelu 800V to więcej,Salon Great Wall marki Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI wersja, idealny samochód S01 i W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11 poinformował, że będzie bazował na platformie 800V, oprócz BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen również poinformował, że technologia 800V jest w fazie badań.
Z sytuacji zamówień 800V otrzymanych przez dostawców Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics i Huichuanwszystkie ogłoszone zamówienia na napędy elektryczne 800V.
Platforma napięciowa 400V
W przypadku platformy napięciowej 400 V, SiC-MOSFET jest przeznaczony głównie do pracy z dużą mocą i gęstością mocy oraz wysoką sprawnością.
Podobnie jak w przypadku silnika Tesli Model 3\Y, który jest obecnie produkowany masowo, moc szczytowa silnika BYD Hanhou wynosi około 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW). NIO będzie również wykorzystywać tranzystory SiC-MOSFET, począwszy od ET7 i ET5, które zostaną wymienione później. Moc szczytowa wynosi 240 kW (ET5 210 kW).
Ponadto, biorąc pod uwagę wysoką sprawność, niektóre przedsiębiorstwa badają również wykonalność stosowania pomocniczych produktów SiC-MOSFET z zalewaniem.
Czas publikacji: 08-07-2023
