Piipohjaisiin tehopuolijohteisiin verrattuna SiC (piikarbidi) tehopuolijohteilla on merkittäviä etuja kytkentätaajuuden, häviön, lämmön haihtumisen, miniatyrisoinnin jne.
Teslan valmistaman laajamittaisen piikarbidi-invertterien myötä useammat yritykset ovat myös alkaneet valmistaa piikarbidituotteita.
SiC on niin "hämmästyttävä", miten ihmeessä se tehtiin? Mitä sovelluksia nyt on? Katsotaanpa!
01 ☆ SiC:n syntymä
Kuten muutkin tehopuolijohteet, SiC-MOSFET-teollisuusketju sisältääpitkä kristalli – substraatti – epitaksi – suunnittelu – valmistus – pakkauslinkki.
Pitkä kristalli
Pitkän kidelinkin aikana, toisin kuin yksikiteisen piin käyttämän Tira-menetelmän valmistuksessa, piikarbidissa käytetään pääasiassa fyysistä kaasunsiirtomenetelmää (PVT, joka tunnetaan myös nimellä parannettu Lly- tai siemenkidesublimaatiomenetelmä), korkean lämpötilan kemiallinen kaasupinnoitusmenetelmä (HTCVD). ) lisäravinteet.
☆ Ydinvaihe
1. Hiilipitoinen kiinteä raaka-aine;
2. Kuumennuksen jälkeen kiinteä karbidi muuttuu kaasuksi;
3. Kaasu siirtyy siemenkiteen pinnalle;
4. Kaasu kasvaa siemenkiteen pinnalla kiteeksi.
Kuvan lähde: "Technical Point to disassemble PVT growth piikarbidi"
Erilainen ammattitaito on aiheuttanut kaksi suurta haittaa piipohjaan verrattuna:
Ensinnäkin tuotanto on vaikeaa ja sato alhainen.Hiilipohjaisen kaasufaasin lämpötila nousee yli 2300 °C ja paine on 350 MPa. Koko tumma laatikko on toteutettu, ja se on helppo sekoittaa epäpuhtauksiin. Saanto on pienempi kuin piipohjaisella. Mitä suurempi halkaisija, sitä pienempi tuotto.
Toinen on hidas kasvu.PVT-menetelmän hallinta on erittäin hidasta, nopeus on noin 0,3-0,5 mm/h ja se voi kasvaa 2 cm 7 päivässä. Suurin voi kasvaa vain 3-5 cm, ja kristalliharkon halkaisija on enimmäkseen 4 tuumaa ja 6 tuumaa.
Silicon-pohjainen 72H voi kasvaa 2-3 metrin korkeuteen, halkaisijaltaan enimmäkseen 6 tuumaa ja 8 tuuman uutta tuotantokapasiteettia 12 tuumalle.Siksi piikarbidia kutsutaan usein kideharkoksi, ja piistä tulee kristallipuikko.
Karbidipiikideharkot
Substraatti
Kun pitkä kide on valmis, se siirtyy substraatin tuotantoprosessiin.
Kohdennettu leikkaus, hionta (karkea hionta, hienohionta), kiillotus (mekaaninen kiillotus), ultratarkkuuskiillotus (kemiallinen mekaaninen kiillotus) saadaan aikaan piikarbidisubstraatti.
Substraatti pääasiassa pelaafyysisen tuen rooli, lämmönjohtavuus ja johtavuus.Käsittelyn vaikeus on se, että piikarbidimateriaali on korkealaatuista, rapeaa ja kemiallisilta ominaisuuksiltaan vakaa. Siksi perinteiset piipohjaiset prosessointimenetelmät eivät sovellu piikarbidisubstraatille.
Leikkausvaikutuksen laatu vaikuttaa suoraan piikarbidituotteiden suorituskykyyn ja käyttötehokkuuteen (kustannuksiin), joten sen on oltava pieni, tasainen paksuus ja matala leikkaus.
Tällä hetkellä,4- ja 6-tuumainen käyttää pääasiassa monilinjaisia leikkauslaitteita,leikkaamalla piikiteet ohuiksi viipaleiksi, joiden paksuus on enintään 1 mm.
Monirivinen leikkauskaavio
Tulevaisuudessa hiiltyneiden piikiekkojen koon kasvaessa materiaalin hyötykäyttövaatimukset kasvavat, ja myös tekniikoita, kuten laserviipalointia ja kylmäerottelua, aletaan soveltaa vähitellen.
Vuonna 2018 Infineon osti Siltectra GmbH:n, joka kehitti innovatiivisen prosessin, joka tunnetaan nimellä kylmäkrakkaus.
Verrattuna perinteiseen monilankaiseen leikkausprosessiin häviö on 1/4,kylmäkrakkausprosessi menetti vain 1/8 piikarbidimateriaalista.
Laajennus
Koska piikarbidimateriaali ei voi tehdä teholaitteita suoraan substraatille, laajennuskerrokselle tarvitaan erilaisia laitteita.
Siksi substraatin tuotannon päätyttyä substraatille kasvatetaan spesifinen yksikideohutkalvo pidennysprosessin kautta.
Tällä hetkellä käytetään pääasiassa kemiallista kaasupinnoitusmenetelmää (CVD).
Design
Kun alusta on valmistettu, se siirtyy tuotteen suunnitteluvaiheeseen.
MOSFETin suunnitteluprosessin painopiste on uran suunnittelussa,toisaalta patentinloukkausten välttämiseksi(Infineon, Rohm, ST jne. on patentoitu asettelu), ja toisaaltatäyttämään valmistus- ja valmistuskustannukset.
Kiekkojen valmistus
Kun tuotesuunnittelu on valmis, se siirtyy kiekkojen valmistusvaiheeseen,ja prosessi on suunnilleen samanlainen kuin piin prosessi, jossa on pääasiassa seuraavat 5 vaihetta.
☆Vaihe 1: Ruiskuta maski
Valmistetaan kerros piioksidikalvosta (SiO2), fotoresisti pinnoitetaan, fotoresistikuvio muodostetaan homogenointi-, valotus-, kehitysvaiheiden jne. kautta ja kuvio siirretään oksidikalvolle etsausprosessin kautta.
☆Vaihe 2: Ioni-istutus
Naamioitu piikarbidikiekko asetetaan ioni-implanteriin, jossa alumiini-ioneja ruiskutetaan muodostamaan P-tyyppinen seostusvyöhyke ja lämpökäsitellään implantoitujen alumiini-ionien aktivoimiseksi.
Oksidikalvo poistetaan, typpi-ioneja ruiskutetaan P-tyypin seostusalueen tietylle alueelle muodostamaan N-tyypin johtava alue nielun ja lähteen, ja istutetut typpi-ionit hehkutetaan niiden aktivoimiseksi.
☆Vaihe 3: Luo ruudukko
Tee ruudukko. Lähteen ja viemärin välisellä alueella hilaoksidikerros valmistetaan korkean lämpötilan hapetusprosessilla, ja hilaelektrodikerros kerrostetaan muodostamaan hilan ohjausrakenne.
☆Vaihe 4: Passivointikerrosten tekeminen
Valmistetaan passivointikerros. Levitä passivointikerros, jolla on hyvät eristysominaisuudet elektrodien välisen rikkoutumisen estämiseksi.
☆Vaihe 5: Tee tyhjennyselektrodit
Tee viemäri ja lähde. Passivointikerros on rei'itetty ja metallia ruiskutetaan viemäriksi ja lähteeksi.
Kuvan lähde: Xinxi Capital
Vaikka prosessitason ja piipohjaisen välillä on vähän eroa, piikarbidimateriaalien ominaisuuksien vuoksi,ioni-istutus ja hehkutus on suoritettava korkean lämpötilan ympäristössä(1600 ° C asti), korkea lämpötila vaikuttaa itse materiaalin hilarakenteeseen, ja vaikeus vaikuttaa myös saantoon.
Lisäksi MOSFET-komponenteilleportin hapen laatu vaikuttaa suoraan kanavan liikkuvuuteen ja portin luotettavuuteen, koska piikarbidimateriaalissa on kahdenlaisia piitä ja hiiliatomeja.
Siksi tarvitaan erityinen hilaväliaineen kasvatusmenetelmä (toinen seikka on, että piikarbidilevy on läpinäkyvä ja sijainnin kohdistus fotolitografiavaiheessa on vaikea piitä).
Kiekon valmistuksen jälkeen yksittäinen siru leikataan paljaaksi siruksi ja voidaan pakata käyttötarkoituksen mukaan. Erillisten laitteiden yleinen prosessi on TO-paketti.
650 V CoolSiC™ MOSFETit TO-247-paketissa
Kuva: Infineon
Autoalalla on korkeat teho- ja lämmönpoistovaatimukset, ja joskus on tarpeen rakentaa suoraan siltapiirejä (puolisilta tai täysi silta tai suoraan diodeihin pakattu).
Siksi se pakataan usein suoraan moduuleihin tai järjestelmiin. Yhteen moduuliin pakattujen sirujen lukumäärän mukaan yleinen muoto on 1 in 1 (BorgWarner), 6 in 1 (Infineon) jne., ja jotkut yritykset käyttävät yhden putken rinnakkaisjärjestelmää.
Borgwarner Viper
Tukee kaksipuolista vesijäähdytystä ja SiC-MOSFETiä
Infineon CoolSiC™ MOSFET-moduulit
Toisin kuin pii,piikarbidimoduulit toimivat korkeammassa lämpötilassa, noin 200 °C.
Perinteinen pehmeä juotoslämpötila sulamispisteen lämpötila on alhainen, ei täytä lämpötilavaatimuksia. Siksi piikarbidimoduuleissa käytetään usein matalan lämpötilan hopean sintraushitsausprosessia.
Kun moduuli on valmis, sitä voidaan soveltaa osajärjestelmään.
Tesla Model3 moottoriohjain
Paljas siru tulee ST:stä, itse kehitetystä paketista ja sähkökäyttöjärjestelmästä
☆02 SiC:n sovelluksen tila?
Autoteollisuudessa voimalaitteita käytetään pääasiassaDCDC, OBC, moottorin invertterit, sähköiset ilmastointiinvertterit, langaton lataus ja muut osatjotka vaativat AC/DC nopean muunnoksen (DCDC toimii pääasiassa nopeana kytkimenä).
Kuva: BorgWarner
Piipohjaisiin materiaaleihin verrattuna SIC-materiaaleissa on korkeampikriittisen lumivyöryn kentänvoimakkuus(3 × 106 V/cm),parempi lämmönjohtavuus(49 W/mK) jaleveämpi kaistaväli(3,26 eV).
Mitä suurempi kaistaväli, sitä pienempi on vuotovirta ja sitä suurempi hyötysuhde. Mitä parempi lämmönjohtavuus, sitä suurempi virrantiheys. Mitä voimakkaampi kriittinen lumivyörykenttä on, sitä voidaan parantaa laitteen jännitevastusta.
Siksi koneeseen asennetun suurjännitteen alalla piikarbidimateriaaleista valmistetut MOSFETit ja SBD:t, jotka korvaavat olemassa olevan piipohjaisen IGBT- ja FRD-yhdistelmän, voivat parantaa tehokkaasti tehoa ja tehokkuutta,erityisesti suurtaajuussovellusskenaarioissa kytkentähäviöiden vähentämiseksi.
Tällä hetkellä se saavuttaa todennäköisimmin laajamittaiset sovellukset moottoriinverttereissä, joita seuraavat OBC ja DCDC.
800V jännitealusta
800 V jännitealustassa korkean taajuuden etu saa yritykset taipuvaisemaan valitsemaan SiC-MOSFET-ratkaisun. Siksi suurin osa nykyisestä 800V elektronisesta ohjauksesta suunnittelu SiC-MOSFET.
Alustatason suunnittelu sisältäämoderni E-GMP, GM Otenergy – pickup field, Porsche PPE ja Tesla EPA.Lukuun ottamatta Porsche PPE -alustamalleja, joissa ei ole nimenomaisesti mukana SiC-MOSFETiä (ensimmäinen malli on piidioksidipohjainen IGBT), muut ajoneuvoalustat käyttävät SiC-MOSFET-järjestelmiä.
Universal Ultra -energiaalusta
800 V mallisuunnittelu on enemmän,Great Wall Salon -merkki Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI -versio, ihanteellinen auto S01 ja W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 sanoi, että se kuljettaa 800V alustan lisäksi BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen sanoi myös 800V teknologian tutkimuksessa.
Tier1-toimittajien saamien 800 V tilausten tilanteestaBorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics ja Huichuankaikki julkistetut 800 V sähkökäyttötilaukset.
400 V jännite alusta
400 V:n jännitealustassa SiC-MOSFET ottaa pääasiassa huomioon suuren tehon ja tehotiheyden sekä korkean hyötysuhteen.
Kuten nyt massatuotannossa oleva Tesla Model 3\Y -moottori, BYD Hanhou -moottorin huipputeho on noin 200 kW (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO käyttää myös SiC-MOSFET-tuotteita ET7:stä alkaen. ja ET5, joka listataan myöhemmin. Huipputeho on 240Kw (ET5 210Kw).
Lisäksi eräät yritykset tutkivat korkean hyötysuhteen näkökulmasta myös ylimääräisten SiC-MOSFET-tuotteiden toteutettavuutta.
Postitusaika: 08.07.2023
