Vergeleken met vermogenshalfgeleiders op basis van silicium hebben SiC-vermogenshalfgeleiders (siliciumcarbide) aanzienlijke voordelen op het gebied van schakelfrequentie, verlies, warmteafvoer, miniaturisatie, enz.
Met de grootschalige productie van siliciumcarbide-omvormers door Tesla zijn ook meer bedrijven begonnen met het op de markt brengen van siliciumcarbideproducten.
SiC is zo "geweldig", hoe is het in vredesnaam gemaakt? Wat zijn de toepassingen nu? Laten we eens kijken!
01 ☆ Geboorte van een SiC
Net als andere vermogenshalfgeleiders omvat de SiC-MOSFET-industrieketende link lang kristal – substraat – epitaxie – ontwerp – productie – verpakking.
Lange kristal
Tijdens de lange kristalverbinding maakt siliciumcarbide, in tegenstelling tot de bereiding van de Tira-methode die wordt gebruikt bij monokristallijn silicium, voornamelijk gebruik van de fysieke gastransportmethode (PVT, ook bekend als verbeterde Lly of zaadkristalsublimatiemethode) en aanvullingen op de hogetemperatuurchemische gasafzettingsmethode (HTCDV).
☆ Kernstap
1. Koolstofhoudende vaste grondstof;
2. Na verhitting wordt het vaste carbide gasvormig;
3. Gas beweegt naar het oppervlak van het zaadkristal;
4. Gas groeit op het oppervlak van het zaadkristal tot een kristal.
Bron afbeelding: “Technisch punt voor het demonteren van PVT-groei siliciumcarbide”
Door het afwijkende vakmanschap ontstaan er twee grote nadelen ten opzichte van de siliciumbasis:
Ten eerste is de productie moeilijk en de opbrengst laag.De temperatuur van de koolstofhoudende gasfase stijgt tot boven de 2300 °C en de druk bedraagt 350 MPa. De volledige donkere doos is gevuld en er kunnen gemakkelijk onzuiverheden in worden gemengd. De opbrengst is lager dan die van silicium. Hoe groter de diameter, hoe lager de opbrengst.
De tweede is langzame groei.De PVT-methode verloopt erg langzaam, met een snelheid van ongeveer 0,3-0,5 mm/u, en de groei kan in 7 dagen 2 cm bedragen. De maximale groei is slechts 3-5 cm, en de diameter van de kristalstaaf is meestal 10 en 15 cm.
De op silicium gebaseerde 72H kan uitgroeien tot een hoogte van 2-3 m, met een diameter van meestal 6 inch en een nieuwe productiecapaciteit van 8 inch voor 12 inch.Daarom wordt siliciumcarbide vaak een kristalstaaf genoemd, en silicium verandert in een kristalstaaf.
Carbide silicium kristalstaven
Substraat
Zodra het lange kristal voltooid is, wordt het in het productieproces van het substraat opgenomen.
Na gericht snijden, slijpen (grof slijpen, fijn slijpen), polijsten (mechanisch polijsten), ultra-precisie polijsten (chemisch-mechanisch polijsten) wordt het siliciumcarbide substraat verkregen.
Het substraat speelt vooral een rolde rol van fysieke ondersteuning, thermische geleidbaarheid en geleidbaarheid.De moeilijkheid bij de verwerking is dat het siliciumcarbidemateriaal een hoge, knapperige en stabiele chemische samenstelling heeft. Traditionele siliciumgebaseerde verwerkingsmethoden zijn daarom niet geschikt voor siliciumcarbidesubstraten.
De kwaliteit van het snij-effect heeft direct invloed op de prestaties en de benuttingsgraad (kosten) van siliciumcarbideproducten. Daarom is het belangrijk dat ze klein zijn, een uniforme dikte hebben en weinig snijkracht vereisen.
Momenteel,4-inch en 6-inch maken voornamelijk gebruik van snijapparatuur met meerdere lijnen,het snijden van siliciumkristallen in dunne plakjes met een dikte van maximaal 1 mm.
Schematisch diagram van een snijlijn met meerdere lijnen
In de toekomst zal, naarmate de omvang van gecarboniseerde siliciumwafers toeneemt, ook de eisen aan het materiaalgebruik toenemen. Ook technologieën zoals lasersnijden en koudscheiding zullen geleidelijk worden toegepast.
In 2018 nam Infineon Siltectra GmbH over, dat een innovatief proces ontwikkelde dat bekendstaat als koudkraken.
Vergeleken met het traditionele snijproces met meerdere draden is het verlies 1/4,Bij het koudkraakproces ging slechts 1/8 van het siliciumcarbide verloren.
Verlenging
Omdat het siliciumcarbidemateriaal geen vermogenscomponenten rechtstreeks op het substraat kan produceren, zijn er verschillende componenten op de extensielaag nodig.
Nadat de productie van het substraat is voltooid, wordt er via het extensieproces een specifieke dunne monokristalfilm op het substraat aangebracht.
Momenteel wordt voornamelijk het chemische gasdepositieproces (CVD) gebruikt.
Ontwerp
Nadat het substraat is gemaakt, komt het in de productontwerpfase.
Bij MOSFET ligt de focus van het ontwerpproces op het ontwerp van de groef,enerzijds om inbreuk op patenten te voorkomen(Infineon, Rohm, ST, enz. hebben een patent lay-out), en aan de andere kant omvoldoen aan de maakbaarheids- en productiekosten.
Waferfabricage
Nadat het productontwerp is voltooid, gaat het naar de waferproductiefase,en het proces is grofweg vergelijkbaar met dat van silicium, dat grofweg de volgende 5 stappen kent.
☆Stap 1: Injecteer het masker
Er wordt een laag siliciumoxide (SiO2)-film gemaakt, de fotoresist wordt gecoat, het fotoresistpatroon wordt gevormd via de stappen van homogeniseren, belichten, ontwikkelen, enz. en het figuur wordt overgebracht op de oxidefilm via het etsproces.
☆Stap 2: Ionenimplantatie
De gemaskeerde siliciumcarbidewafer wordt in een ionenimplanter geplaatst, waar aluminiumionen worden geïnjecteerd om een P-type doteringszone te vormen, en gegloeid om de geïmplanteerde aluminiumionen te activeren.
De oxidefilm wordt verwijderd, stikstofionen worden in een specifiek gebied van het P-type doteringsgebied geïnjecteerd om een N-type geleidend gebied van de afvoer en de bron te vormen, en de geïmplanteerde stikstofionen worden uitgegloeid om ze te activeren.
☆Stap 3: Maak het raster
Maak het rooster. In het gebied tussen de source en de drain wordt de gate-oxidelaag voorbereid door middel van een oxidatieproces bij hoge temperatuur, en wordt de gate-elektrodelaag afgezet om de gate-regelstructuur te vormen.
☆Stap 4: Passiveringslagen maken
Er wordt een passiveringslaag aangebracht. Breng een passiveringslaag aan met goede isolatie-eigenschappen om doorslag tussen de elektroden te voorkomen.
☆Stap 5: Maak drain-source elektroden
Maak een drain en een source. De passiveringslaag wordt geperforeerd en er wordt metaal gesputterd om een drain en een source te vormen.
Fotobron: Xinxi Capital
Hoewel er weinig verschil is tussen het procesniveau en siliciumgebaseerd, vanwege de eigenschappen van siliciumcarbidematerialen,Ionenimplantatie en gloeien moeten worden uitgevoerd in een omgeving met hoge temperaturen(tot 1600 °C) zal de hoge temperatuur de roosterstructuur van het materiaal zelf beïnvloeden en de moeilijkheidsgraad zal ook de opbrengst beïnvloeden.
Bovendien geldt voor MOSFET-componenten:De kwaliteit van de zuurstof in de poort heeft direct invloed op de mobiliteit van het kanaal en de betrouwbaarheid van de poort., omdat er twee soorten silicium- en koolstofatomen in het siliciumcarbidemateriaal zitten.
Daarom is een speciale groeimethode voor het gate-medium vereist (een ander punt is dat het siliciumcarbidevel transparant is en de positie-uitlijning in de fotolithografiefase moeilijk te silicium is).
Nadat de waferproductie is voltooid, wordt de individuele chip in een kale chip gesneden en kan deze worden verpakt volgens het beoogde doel. Het gebruikelijke proces voor discrete apparaten is TO-verpakking.
650V CoolSiC™ MOSFET's in TO-247-behuizing
Foto: Infineon
In de automobielsector worden hoge eisen gesteld aan vermogen en warmteafvoer. Soms is het noodzakelijk om direct brugschakelingen te bouwen (halve brug of hele brug, of direct ingepakt met diodes).
Daarom wordt het vaak direct in modules of systemen verpakt. Afhankelijk van het aantal chips in één module is de meest voorkomende vorm 1-in-1 (BorgWarner), 6-in-1 (Infineon), enz. Sommige bedrijven gebruiken een parallelle single-tube-methode.
Borgwarner Viper
Ondersteunt dubbelzijdige waterkoeling en SiC-MOSFET
Infineon CoolSiC™ MOSFET-modules
In tegenstelling tot silicium,siliciumcarbidemodules werken bij een hogere temperatuur, ongeveer 200 °C.
De smelttemperatuur van traditioneel zachtsoldeer is laag en kan niet aan de temperatuurvereisten voldoen. Daarom gebruiken siliciumcarbidemodules vaak een lasproces waarbij zilver wordt gesinterd bij lage temperaturen.
Nadat de module is afgerond, kan deze worden toegepast op het onderdelensysteem.
Tesla Model3 motorcontroller
De kale chip komt van ST, zelfontwikkeld pakket en elektrisch aandrijfsysteem
☆02 Toepassingsstatus van SiC?
Op automobielgebied worden elektrische apparaten voornamelijk gebruikt inDCDC, OBC, motoromvormers, elektrische airconditioningomvormers, draadloos opladen en andere onderdelendie een snelle AC/DC-conversie nodig hebben (DCDC fungeert voornamelijk als een snelle schakelaar).
Foto: BorgWarner
Vergeleken met materialen op basis van silicium hebben SIC-materialen een hogerekritische lawine-doorbraakveldsterkte(3×106V/cm),betere thermische geleidbaarheid(49W/mK) enbredere bandkloof(3,26 eV).
Hoe groter de band gap, hoe kleiner de lekstroom en hoe hoger het rendement. Hoe beter de thermische geleidbaarheid, hoe hoger de stroomdichtheid. Hoe sterker het kritische lawinedoorslagveld, hoe sterker de spanningsweerstand van het apparaat kan worden verbeterd.
Daarom kunnen op het gebied van on-board hoogspanning MOSFET's en SBD's, vervaardigd uit siliciumcarbidematerialen ter vervanging van de bestaande siliciumgebaseerde IGBT- en FRD-combinatie, het vermogen en de efficiëntie effectief verbeteren.vooral bij toepassingen met hoge frequenties om schakelverliezen te beperken.
Momenteel is het waarschijnlijk dat grootschalige toepassingen het meest haalbaar zijn in motoromvormers, gevolgd door OBC en DCDC.
800V spanningsplatform
In het 800V-spanningsplatform zorgt het voordeel van hoge frequenties ervoor dat bedrijven eerder geneigd zijn te kiezen voor een SiC-MOSFET-oplossing. Daarom gebruiken de meeste huidige 800V-elektronica SiC-MOSFET's.
Planning op platformniveau omvat:moderne E-GMP, GM Otenergy – pick-upveld, Porsche PPE en Tesla EPA.Met uitzondering van de modellen van het Porsche PPE-platform, die niet expliciet SiC-MOSFET gebruiken (het eerste model is een IGBT op basis van silica), maken andere voertuigplatforms gebruik van SiC-MOSFET-schema's.
Universeel Ultra-energieplatform
800V-modelplanning is meer,het merk Great Wall Salon Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI-versie, ideale auto S01 en W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11 zei dat het een 800V-platform zal hebben, naast BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen zei ook dat er onderzoek wordt gedaan naar 800V-technologie.
Vanuit de situatie van 800V-bestellingen verkregen door Tier1-leveranciers,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics en Huichuanalle aangekondigde bestellingen voor 800V elektrische aandrijvingen.
400V spanningsplatform
Op het 400V-spanningsplatform wordt bij SiC-MOSFET vooral rekening gehouden met een hoog vermogen, een hoge vermogensdichtheid en een hoge efficiëntie.
Zoals de Tesla Model 3\Y-motor die nu massaal geproduceerd wordt, bedraagt het piekvermogen van de BYD Hanhou-motor ongeveer 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW). NIO zal ook SiC-MOSFET-producten gebruiken, te beginnen met ET7 en de ET5, die later zullen worden vermeld. Het piekvermogen bedraagt 240 kW (ET5 210 kW).
Daarnaast onderzoeken sommige ondernemingen, vanuit het oogpunt van hoge efficiëntie, ook de haalbaarheid van SiC-MOSFET-hulpstroomproducten.
Plaatsingstijd: 08-07-2023
