Piipohjaisiin tehopuolijohteisiin verrattuna piikarbidi- eli SiC-tehopuolijohteilla on merkittäviä etuja kytkentätaajuudessa, häviöissä, lämmönhukkauksessa, pienentämisessä jne.
Teslan piikarbidi-invertterien laajamittaisen tuotannon myötä myös useammat yritykset ovat alkaneet myydä piikarbidituotteita.
Piikarbidi (SiC) on niin "hämmästyttävää", miten ihmeessä se on tehty? Mitä sovelluksia sillä on nyt? Katsotaan!
01 ☆ Piikarbidin syntymä
Kuten muutkin tehopuolijohteet, SiC-MOSFET-teollisuusketju sisältääpitkä kide – substraatti – epitaksi – suunnittelu – valmistus – pakkaus -linkki.
Pitkä kristalli
Pitkän kiteisen linkin aikana, toisin kuin yksittäisen piin käyttämässä Tira-menetelmässä, piikarbidi käyttää pääasiassa fysikaalista kaasunsiirtomenetelmää (PVT, joka tunnetaan myös nimellä parannettu Lly- tai siemenkiteen sublimaatiomenetelmä) ja korkean lämpötilan kemiallista kaasulaskeutumismenetelmää (HTCVD).
☆ Ydinvaihe
1. Hiilipitoinen kiinteä raaka-aine;
2. Kuumennuksen jälkeen kovametallikiinteä aine muuttuu kaasuksi;
3. Kaasu siirtyy siemenkiteen pinnalle;
4. Kaasu kasvaa siemenkiteen pinnalla kiteeksi.
Kuvan lähde: ”PVT-kasvupiikarbidin purkamisen tekninen näkökulma”
Erilainen valmistustapa on aiheuttanut kaksi merkittävää haittaa piipohjaan verrattuna:
Ensinnäkin tuotanto on vaikeaa ja sato on alhainen.Hiilipohjaisen kaasufaasin lämpötila nousee yli 2300 °C:een ja paine on 350 MPa. Täysin pimeässä laatikossa se sekoittuu helposti epäpuhtauksiin. Saanto on pienempi kuin piipohjalla. Mitä suurempi halkaisija, sitä pienempi saanto.
Toinen on hidas kasvu.PVT-menetelmän hallinta on erittäin hidasta, noin 0,3–0,5 mm/h, ja se voi kasvaa 2 cm 7 päivässä. Maksimikasvu on vain 3–5 cm, ja kristalliharkon halkaisija on enimmäkseen 4–6 tuumaa.
Piipohjainen 72H voi kasvaa 2–3 metrin korkuiseksi, ja sen halkaisijat ovat enimmäkseen 6 tuumaa ja 8 tuumaa, mikä tekee uudesta tuotantokapasiteetista 12 tuuman mallille.Siksi piikarbidia kutsutaan usein kristalliharkoksi, ja piistä tulee kristallitikku.
Karbidi-piikristalliharkot
Alusta
Kun pitkä kide on valmis, se siirtyy substraatin tuotantoprosessiin.
Kohdennetun leikkauksen, hionnan (karkea hionta, hienohionta), kiillotuksen (mekaaninen kiillotus) ja erittäin tarkan kiillotuksen (kemiallinen mekaaninen kiillotus) jälkeen saadaan piikarbidisubstraatti.
Substraatti toimii pääasiassafyysisen tuen, lämmönjohtavuuden ja johtavuuden rooli.Prosessoinnin vaikeus piikarbidimateriaalin korkean pitoisuuden, rapeuden ja kemiallisten ominaisuuksien stabiilisuuden vuoksi perinteiset piipohjaiset prosessointimenetelmät eivät sovellu piikarbidisubstraatille.
Leikkausvaikutuksen laatu vaikuttaa suoraan piikarbidituotteiden suorituskykyyn ja käyttötehokkuuteen (kustannuksiin), joten sen on oltava pieni, paksuus tasainen ja leikkausvoimakkuuden on oltava alhainen.
Tällä hetkellä,4-tuumainen ja 6-tuumainen käyttää pääasiassa monilinjaisia leikkauslaitteita,piikiteiden leikkaaminen ohuiksi viipaleiksi, joiden paksuus on enintään 1 mm.
Monilinjainen leikkauskaavio
Tulevaisuudessa hiiltyneiden piikiekkojen koon kasvaessa materiaalien käyttövaatimukset kasvavat, ja myös tekniikoita, kuten laserleikkausta ja kylmäerottelua, aletaan vähitellen soveltaa.
Vuonna 2018 Infineon osti Siltectra GmbH:n, joka kehitti innovatiivisen prosessin, joka tunnetaan nimellä kylmäkrakkaus.
Verrattuna perinteiseen monilankaiseen leikkausprosessiin, jonka hävikki on 1/4,Kylmäkrakkausprosessissa menetettiin vain 1/8 piikarbidimateriaalista.
Laajennus
Koska piikarbidimateriaali ei voi tehdä teholaitteita suoraan alustalle, laajennuskerrokselle tarvitaan erilaisia laitteita.
Siksi, kun substraatin tuotanto on valmis, substraatille kasvatetaan tietty yksikiteinen ohutkalvo laajennusprosessin avulla.
Tällä hetkellä käytetään pääasiassa kemiallista kaasupinnoitusmenetelmää (CVD).
Design
Kun alusta on valmistettu, se siirtyy tuotesuunnitteluvaiheeseen.
MOSFET-transistorin suunnitteluprosessin keskipisteenä on uran suunnittelu,toisaalta patenttiloukkausten välttämiseksi(Infineonilla, Rohmilla, ST:llä jne. on patentoitu asettelu), ja toisaaltavastaamaan valmistettavuuteen ja valmistuskustannuksiin.
Kiekkojen valmistus
Kun tuotesuunnittelu on valmis, se siirtyy kiekkojen valmistusvaiheeseen,ja prosessi on suunnilleen samanlainen kuin piin prosessi, jossa on pääasiassa seuraavat viisi vaihetta.
☆Vaihe 1: Pistä naamio ihoon
Valmistetaan piioksidikalvo (SiO2), fotoresisti päällystetään, fotoresistikuvio muodostetaan homogenisoinnin, valotuksen, kehityksen jne. vaiheiden avulla ja kuvio siirretään oksidikalvoon etsausprosessin avulla.
☆Vaihe 2: Ioni-istutus
Maskattu piikarbidikiekko asetetaan ioni-implanteriin, johon ruiskutetaan alumiini-ioneja P-tyypin dopingvyöhykkeen muodostamiseksi, ja hehkutetaan implantoitujen alumiini-ionien aktivoimiseksi.
Oksidikalvo poistetaan, typpiioneja ruiskutetaan P-tyypin dopingalueen tiettyyn alueeseen, jolloin muodostuu nielun ja lähteen N-tyypin johtava alue, ja implantoidut typpiionit hehkutetaan niiden aktivoimiseksi.
☆Vaihe 3: Tee ruudukko
Tee ristikko. Lähteen ja nielun väliselle alueelle valmistetaan korkean lämpötilan hapetusprosessilla porttioksidikerros, ja porttielektrodikerros kerrostetaan porttiohjausrakenteen muodostamiseksi.
☆Vaihe 4: Passivointikerrosten tekeminen
Passivointikerros valmistetaan. Kerrosta passivointikerros, jolla on hyvät eristysominaisuudet, jotta elektrodien välinen läpilyönti estyy.
☆Vaihe 5: Tee tyhjennys-lähdeelektrodit
Tee nielun ja lähteen. Passivointikerros rei'itetään ja metalli sputteroidaan nielun ja lähteen muodostamiseksi.
Kuvan lähde: Xinxi Capital
Vaikka prosessitason ja piipohjaisten materiaalien välillä on vain vähän eroa piikarbidimateriaalien ominaisuuksien vuoksi,ioni-istutus ja hehkutus on suoritettava korkeassa lämpötilassa(jopa 1600 °C:seen asti), korkea lämpötila vaikuttaa itse materiaalin hilarakenteeseen, ja vaikeus vaikuttaa myös saantoon.
Lisäksi MOSFET-komponenttien osaltaPortin hapen laatu vaikuttaa suoraan kanavan liikkuvuuteen ja portin luotettavuuteen, koska piikarbidimateriaalissa on kahdenlaisia pii- ja hiiliatomeja.
Siksi tarvitaan erityinen porttiväliaineen kasvumenetelmä (toinen seikka on, että piikarbidilevy on läpinäkyvä ja paikan kohdistaminen fotolitografiavaiheessa on vaikeaa piikiekolla).
Kun kiekon valmistus on valmis, yksittäinen siru leikataan paljaaksi siruksi, joka voidaan pakata käyttötarkoituksen mukaan. Erillislaitteiden yleinen prosessi on TO-pakkaus.
650 V:n CoolSiC™ MOSFETit TO-247-kotelossa
Kuva: Infineon
Autoteollisuudessa on korkeat teho- ja lämmönhukkavaatimusten, ja joskus on tarpeen rakentaa suoraan siltapiirejä (puolisilta tai täyssilta tai suoraan diodien kanssa pakattuna).
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-MOSFET-transistoria
Infineon CoolSiC™ MOSFET-moduulit
Toisin kuin pii,piikarbidimoduulit toimivat korkeammassa lämpötilassa, noin 200 °C.
Perinteisen pehmeän juotteen sulamispiste on alhainen eikä se täytä lämpötilavaatimuksia. Siksi piikarbidimoduuleissa käytetään usein matalan lämpötilan hopeasintraushitsausprosessia.
Kun moduuli on valmis, se voidaan ottaa käyttöön osajärjestelmässä.
Tesla Model3 -moottorin ohjain
Paljas siru tulee ST:ltä, itse kehitetystä paketista ja sähkökäyttöjärjestelmästä
☆02 Piikarbidin sovelluksen tila?
Autoteollisuudessa teholaitteita käytetään pääasiassaDCDC, OBC, moottori-invertterit, sähköiset ilmastointilaitteiden invertterit, langaton lataus ja muut osatjotka vaativat nopeaa AC/DC-muunnosta (DCDC toimii pääasiassa nopeana kytkimenä).
Kuva: BorgWarner
Piipohjaisiin materiaaleihin verrattuna SIC-materiaaleilla on korkeampikriittisen lumivyöryn läpimurtokentän voimakkuus(3 × 10⁶ V/cm),parempi lämmönjohtavuus(49 W/mK) jaleveämpi kaistaväli(3,26 eV).
Mitä suurempi energiaväli on, sitä pienempi on vuotovirta ja sitä suurempi on hyötysuhde. Mitä parempi lämmönjohtavuus, sitä suurempi on virrantiheys. Mitä voimakkaampi kriittinen lumivyörymäinen läpilyöntikenttä on, sitä parempi on laitteen jänniteresistanssi.
Siksi piirilevyjen korkeajännitteisissä sovelluksissa piikarbidimateriaaleista valmistetut MOSFETit ja SBD:t, jotka korvaavat olemassa olevat piipohjaiset IGBT- ja FRD-yhdistelmät, voivat tehokkaasti parantaa tehoa ja hyötysuhdetta.erityisesti suurtaajuisissa sovellustilanteissa kytkentähäviöiden vähentämiseksi.
Tällä hetkellä on todennäköisintä saavuttaa laajamittaisia sovelluksia moottorin inverttereissä, joita seuraavat OBC ja DCDC.
800 V:n jännitealusta
800 V:n jännitealustalla korkean taajuuden etu tekee yrityksistä taipuvaisempia valitsemaan SiC-MOSFET-ratkaisun. Siksi useimmat nykyiset 800 V:n elektroniset ohjaussuunnitteluratkaisut on suunniteltu SiC-MOSFET-transistoreiksi.
Alustatason suunnittelu sisältäämoderni E-GMP, GM Otenergy – pickup-kenttä, Porschen henkilönsuojaimet ja Teslan ympäristönsuojeluvirasto (EPA).Lukuun ottamatta Porschen PPE-alustamalleja, joissa ei ole nimenomaisesti SiC-MOSFET-transistoria (ensimmäinen malli on piidioksidipohjainen IGBT), muut ajoneuvoalustat käyttävät SiC-MOSFET-järjestelmiä.
Universal Ultra -energia-alusta
800 V:n mallisuunnittelu on enemmän,Great Wall Salon -merkki Jiagirong, Beiqi-napainen Fox S HI -versio, ihanteellinen auto S01 ja W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11 ilmoitti käyttävänsä 800 V:n alustaa. BYD:n, Lantu'n, GAC 'anin, Mercedes-Benzin, Zero Runin ja FAW Red Flagin lisäksi myös Volkswagen kertoi käyttävänsä 800 V:n teknologiaa tutkimuksessa.
Tier1-toimittajien saamien 800 V:n tilausten tilanteestaBorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics ja Huichuankaikki ilmoitetut 800 V:n sähkökäyttöisten laitteiden tilaukset.
400 V:n jännitealusta
400 V:n jännitealustalla SiC-MOSFET-transistoria käytetään pääasiassa suuren tehon, tehotiheyden ja korkean hyötysuhteen huomioon ottamiseen.
Kuten nyt massatuotetussa Tesla Model 3\Y -moottorissa, BYD Hanhou -moottorin huipputeho on noin 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW). NIO tulee käyttämään myös SiC-MOSFET-tuotteita alkaen ET7:stä ja myöhemmin lueteltavasta ET5:stä. Huipputeho on 240 kW (ET5 210 kW).
Lisäksi jotkut yritykset tutkivat korkean hyötysuhteen näkökulmasta myös SiC-MOSFET-tuotteiden ylimääräisten tulvien toteutettavuutta.
Julkaisun aika: 08.07.2023
