Vergeleken met op silicium gebaseerde vermogenshalfgeleiders hebben SiC (siliciumcarbide) vermogenshalfgeleiders aanzienlijke voordelen op het gebied van schakelfrequentie, verlies, warmtedissipatie, 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 nu de toepassingen?Laten we eens kijken!
01 ☆ Geboorte van een SiC
Net als andere vermogenshalfgeleiders omvat de SiC-MOSFET-industrieketende lange kristal – substraat – epitaxie – ontwerp – productie – verpakking link.
Lang kristal
Tijdens de lange kristalverbinding gebruikt siliciumcarbide, in tegenstelling tot de bereiding van de Tira-methode die wordt gebruikt door monokristallijn silicium, voornamelijk de fysieke gastransportmethode (PVT, ook bekend als verbeterde Lly- of kiemkristalsublimatiemethode), chemische gasafzettingsmethode op hoge temperatuur (HTCVD). ) supplementen.
☆ Kernstap
1. Koolzuurhoudende vaste grondstof;
2. Na verwarming wordt de vaste carbide gasvormig;
3. Gas beweegt naar het oppervlak van het entkristal;
4. Gas groeit op het oppervlak van het kiemkristal tot een kristal.
Bron afbeelding: “Technisch punt om PVT-groei siliciumcarbide te demonteren”
Verschillende vakmanschap heeft twee grote nadelen veroorzaakt in vergelijking met de siliconenbasis:
Ten eerste is de productie moeilijk en is de opbrengst laag.De temperatuur van de op koolstof gebaseerde gasfase stijgt boven de 2300 ° C en de druk bedraagt 350 MPa.De hele donkere doos is uitgevoerd en het is gemakkelijk om onzuiverheden te mengen.De opbrengst is lager dan die van de siliciumbasis.Hoe groter de diameter, hoe lager de opbrengst.
De tweede is langzame groei.Het beheer van de PVT-methode is erg traag, de snelheid is ongeveer 0,3-0,5 mm/u en kan in 7 dagen 2 cm groeien.Het maximum kan slechts 3-5 cm worden, en de diameter van de kristallen staaf is meestal 4 inch en 6 inch.
De op silicium gebaseerde 72H kan uitgroeien tot een hoogte van 2-3 meter, met diameters van meestal 6 inch en 8 inch nieuwe productiecapaciteit voor 12 inch.Daarom wordt siliciumcarbide vaak kristalstaaf genoemd en wordt silicium een kristalstaaf.
Carbide siliciumkristalblokken
Substraat
Nadat het lange kristal is voltooid, gaat het het productieproces van het substraat in.
Na gericht snijden, slijpen (grofslijpen, fijnslijpen), polijsten (mechanisch polijsten), ultraprecies polijsten (chemisch-mechanisch polijsten) wordt het siliciumcarbidesubstraat verkregen.
Het substraat speelt vooralde rol van fysieke ondersteuning, thermische geleidbaarheid en geleidbaarheid.De moeilijkheid bij de verwerking is dat het siliciumcarbidemateriaal hoog, knapperig en stabiel is wat betreft chemische eigenschappen.Daarom zijn traditionele, op silicium gebaseerde verwerkingsmethoden niet geschikt voor siliciumcarbidesubstraten.
De kwaliteit van het snijeffect heeft rechtstreeks invloed op de prestaties en gebruiksefficiëntie (kosten) van siliciumcarbideproducten, dus het is vereist dat het een kleine, uniforme dikte en lage snijsnelheid heeft.
Momenteel,4-inch en 6-inch maken voornamelijk gebruik van snijapparatuur met meerdere lijnen,siliciumkristallen in dunne plakjes snijden met een dikte van niet meer dan 1 mm.
Schema voor snijden met meerdere lijnen
In de toekomst, met de toename van de omvang van verkoolde siliciumwafels, zal de toename van de vereisten voor materiaalgebruik toenemen, en zullen technologieën zoals laserslicing en koude scheiding ook geleidelijk worden toegepast.
In 2018 nam Infineon Siltectra GmbH over, dat een innovatief proces ontwikkelde dat bekend staat als koudkraken.
Vergeleken met het traditionele meerdraads snijprocesverlies van 1/4,het koude kraakproces verloor slechts 1/8 van het siliciumcarbidemateriaal.
Verlenging
Omdat het siliciumcarbidemateriaal geen stroomapparaten rechtstreeks op het substraat kan maken, zijn er verschillende apparaten op de verlengingslaag nodig.
Daarom wordt, nadat de productie van het substraat is voltooid, via het verlengingsproces een specifieke dunne film met één kristal op het substraat gegroeid.
Momenteel wordt voornamelijk gebruik gemaakt van de chemische gasdepositiemethode (CVD).
Ontwerp
Nadat het substraat is gemaakt, komt het in de productontwerpfase.
Voor MOSFET ligt de focus van het ontwerpproces op het ontwerp van de groef,enerzijds om octrooi-inbreuk te voorkomen(Infineon, Rohm, ST, etc. hebben patentlay-out), en aan de andere kant ookvoldoen aan de maakbaarheid en productiekosten.
Fabricage van wafels
Nadat het productontwerp is voltooid, gaat het de productiefase van de wafel in.en het proces is grofweg vergelijkbaar met dat van silicium, dat hoofdzakelijk de volgende 5 stappen kent.
☆Stap 1: Injecteer het masker
Er wordt een laag siliciumoxidefilm (SiO2) gemaakt, de fotoresist wordt gecoat, het fotoresistpatroon wordt gevormd door de stappen van homogenisatie, belichting, ontwikkeling, enz., en de figuur wordt via het etsproces overgebracht naar de oxidefilm.
☆Stap 2: Ionenimplantatie
De gemaskeerde siliciumcarbidewafel wordt in een ionenimplantator geplaatst, waar aluminiumionen worden geïnjecteerd om een doteringszone van het P-type te vormen, en uitgegloeid om de geïmplanteerde aluminiumionen te activeren.
De oxidefilm wordt verwijderd, stikstofionen worden geïnjecteerd in een specifiek gebied van het P-type doteringsgebied om een N-type geleidend gebied van de drain en source te vormen, en de geïmplanteerde stikstofionen worden uitgegloeid om ze te activeren.
☆Stap 3: Maak het raster
Maak het raster.In het gebied tussen de source en de drain wordt de poortoxidelaag voorbereid door middel van een oxidatieproces bij hoge temperatuur, en wordt de poortelektrodelaag afgezet om de poortbesturingsstructuur te vormen.
☆Stap 4: Passiveringslagen maken
Er wordt een passivatielaag gemaakt.Breng een passivatielaag aan met goede isolatie-eigenschappen om doorslag tussen de elektroden te voorkomen.
☆Stap 5: Maak drain-source-elektroden
Maak afvoer en bron.De passivatielaag wordt geperforeerd en metaal wordt gesputterd om een afvoer en een bron te vormen.
Fotobron: Xinxi Capital
Hoewel er weinig verschil is tussen het procesniveau en het siliciumgebaseerde materiaal, vanwege de eigenschappen van siliciumcarbidematerialen,ionenimplantatie en uitgloeien moeten worden uitgevoerd in een omgeving met hoge temperaturen(tot 1600 ° C), hoge temperaturen zullen de roosterstructuur van het materiaal zelf beïnvloeden, en de moeilijkheidsgraad zal ook de opbrengst beïnvloeden.
Bovendien geldt voor MOSFET-componentende kwaliteit van de poortzuurstof heeft een directe invloed op de kanaalmobiliteit en de poortbetrouwbaarheid, omdat er twee soorten silicium- en koolstofatomen in het siliciumcarbidemateriaal zitten.
Daarom is een speciale groeimethode met poortmedium vereist (een ander punt is dat de siliciumcarbideplaat transparant is en dat de positie-uitlijning in de fotolithografische fase moeilijk te silicium is).
Nadat de wafelproductie is voltooid, wordt de individuele chip tot een kale chip gesneden en kan deze naar gelang het doel worden verpakt.Het gebruikelijke proces voor discrete apparaten is TO-pakket.
650V CoolSiC™ MOSFET's in TO-247-pakket
Foto: Infineon
De automobielsector stelt hoge eisen aan vermogen en warmteafvoer, en soms is het nodig om rechtstreeks brugcircuits te bouwen (halve brug of volledige brug, of direct verpakt met diodes).
Daarom wordt het vaak rechtstreeks in modules of systemen verpakt.Afhankelijk van het aantal chips dat in een enkele module is verpakt, is de gebruikelijke vorm 1 op 1 (BorgWarner), 6 op 1 (Infineon), enz., En sommige bedrijven gebruiken een parallel schema met één buis.
Borgwarner Viper
Ondersteunt dubbelzijdige waterkoeling en SiC-MOSFET
Infineon CoolSiC™ MOSFET-modules
In tegenstelling tot silicium,siliciumcarbidemodules werken op een hogere temperatuur, ongeveer 200 ° C.
Traditionele zachtsoldeertemperatuur, smeltpunttemperatuur is laag en kan niet aan de temperatuurvereisten voldoen.Daarom gebruiken siliciumcarbidemodules vaak een zilversinterlasproces bij lage temperatuur.
Nadat de module is voltooid, kan deze worden toegepast op het onderdelensysteem.
Tesla Model3-motorcontroller
De kale chip komt uit ST, zelf ontwikkeld pakket en elektrisch aandrijfsysteem
☆02 Aanvraagstatus van SiC?
In de automobielsector worden vooral elektrische apparaten gebruiktDCDC, OBC, motoromvormers, elektrische airconditioningomvormers, draadloos opladen en andere onderdelendie snelle AC/DC-conversie vereisen (DCDC fungeert voornamelijk als snelle schakelaar).
Foto: BorgWarner
Vergeleken met op silicium gebaseerde materialen hebben SIC-materialen een hogerekritische lawine-afbraakveldsterkte(3×106V/cm),betere thermische geleidbaarheid(49W/mK) enbredere bandafstand(3,26 eV).
Hoe groter de bandafstand, hoe kleiner de lekstroom en hoe hoger het rendement.Hoe beter de thermische geleidbaarheid, hoe hoger de stroomdichtheid.Hoe sterker het kritische lawine-doorbraakveld is, de spanningsweerstand van het apparaat kan worden verbeterd.
Daarom kunnen op het gebied van hoogspanning aan boord MOSFET's en SBD, vervaardigd uit siliciumcarbidematerialen ter vervanging van de bestaande op silicium gebaseerde IGBT- en FRD-combinatie, het vermogen en de efficiëntie effectief verbeteren,vooral in hoogfrequente toepassingsscenario's om schakelverliezen te verminderen.
Op dit moment is de kans het grootst dat grootschalige toepassingen in motoromvormers zullen worden gerealiseerd, gevolgd door OBC en DCDC.
800V-spanningsplatform
Op het 800V-spanningsplatform zorgt het voordeel van hoge frequentie ervoor dat bedrijven eerder geneigd zijn om voor een SiC-MOSFET-oplossing te kiezen.Daarom is het merendeel van de huidige 800V elektronische besturingsplanning SiC-MOSFET.
Planning op platformniveau omvatmoderne E-GMP, GM Otenergy – pick-up field, Porsche PPE en Tesla EPA.Behalve de Porsche PPE-platformmodellen die niet expliciet SiC-MOSFET dragen (het eerste model is op silica gebaseerde IGBT), gebruiken andere voertuigplatforms 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 vervoeren, naast BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen zei ook dat 800V-technologie in onderzoek is.
Uit de situatie van 800V-bestellingen verkregen door Tier1-leveranciers:BorgWarner, Wipai Technologie, ZF, United Electronics en Huichuanalle aangekondigde bestellingen voor elektrische aandrijving van 800 V.
400V-spanningsplatform
Bij het 400V-spanningsplatform houdt SiC-MOSFET vooral rekening met een hoog vermogen, een hoge vermogensdichtheid en een hoog rendement.
Zoals de Tesla Model 3\Y-motor die nu in massa wordt geproduceerd, is 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 vanaf ET7 en de ET5 die later zal worden vermeld.Het piekvermogen bedraagt 240 kW (ET5 210 kW).
Bovendien onderzoeken sommige bedrijven, vanuit het perspectief van hoge efficiëntie, ook de haalbaarheid van SiC-MOSFET-producten voor aanvullende overstromingen.
Posttijd: 08 juli 2023