По сравнению с кремниевыми силовыми полупроводниками силовые полупроводники на основе карбида кремния имеют значительные преимущества по частоте переключения, потерям, рассеиванию тепла, миниатюризации и т. д.
С началом крупномасштабного производства инверторов из карбида кремния компанией Tesla все больше компаний также начали выпускать продукцию из карбида кремния.
SiC настолько «удивителен», как же его вообще сделали? Какие у него сейчас применения? Давайте посмотрим!
01 ☆ Рождение SiC
Как и другие силовые полупроводники, цепочка производства SiC-MOSFET включает в себядлинная цепь кристалл – подложка – эпитаксия – проектирование – изготовление – корпусирование.
Длинный кристалл
В отличие от метода Тира, используемого для получения монокристаллического кремния, при получении карбида кремния в процессе длинной кристаллической связи в основном применяется метод физической транспортировки газа (PVT, также известный как улучшенный метод Lly или метод сублимации затравочных кристаллов), а также метод высокотемпературного химического осаждения из газа (HTCVD).
☆ Основной шаг
1. Углеродистое твердое сырье;
2. После нагревания карбидное твердое вещество переходит в газообразное состояние;
3. Газ перемещается к поверхности затравочного кристалла;
4. Газ вырастает на поверхности затравочного кристалла, превращаясь в кристалл.
Источник изображения: «Технический момент разборки PVT-выращиваемого карбида кремния»
Различия в качестве изготовления обусловили два основных недостатка по сравнению с кремниевой основой:
Во-первых, производство затруднено, а урожайность низкая.Температура газовой фазы на основе углерода поднимается выше 2300 °C, а давление достигает 350 МПа. Весь тёмный ящик выносится, и в него легко попадают примеси. Выход ниже, чем у кремниевой основы. Чем больше диаметр, тем ниже выход.
Второе — медленный рост.Процесс PVT очень медленный, скорость составляет около 0,3–0,5 мм/ч, и кристалл может вырасти на 2 см за 7 дней. Максимальный рост составляет всего 3–5 см, а диаметр кристаллического слитка обычно составляет 4–6 дюймов.
Модель 72H на основе кремния может достигать высоты 2–3 м, диаметр в основном составляет 6 дюймов, а новые производственные мощности рассчитаны на 12 дюймов.Поэтому карбид кремния часто называют кристаллическим слитком, а кремний превращается в кристаллический стержень.
Слитки кристаллов карбида кремния
Субстрат
После завершения изготовления длинного кристалла он поступает на стадию производства подложки.
После целенаправленной резки, шлифовки (черновой шлифовки, тонкой шлифовки), полировки (механической полировки), сверхточной полировки (химико-механической полировки) получается подложка из карбида кремния.
Субстрат в основном играетроль физической поддержки, теплопроводности и проводимости.Сложность обработки заключается в том, что материал карбида кремния имеет высокую плотность, хрустящую структуру и стабильные химические свойства. Поэтому традиционные методы обработки на основе кремния не подходят для подложек из карбида кремния.
Качество режущего эффекта напрямую влияет на производительность и эффективность использования (стоимость) изделий из карбида кремния, поэтому требуется, чтобы они были небольшими, равномерной толщины и имели низкую режущую способность.
В настоящий момент,4-дюймовые и 6-дюймовые в основном используют многоканальное режущее оборудование,резка кристаллов кремния на тонкие пластины толщиной не более 1 мм.
Принципиальная схема многолинейной резки
В будущем, с увеличением размера карбонизированных кремниевых пластин, возрастут и требования к использованию материала, а также постепенно будут применяться такие технологии, как лазерная резка и холодное разделение.
В 2018 году компания Infineon приобрела компанию Siltectra GmbH, которая разработала инновационный процесс, известный как холодный крекинг.
По сравнению с традиционным процессом многопроволочной резки потери составляют 1/4,в процессе холодного растрескивания теряется только 1/8 часть материала карбида кремния.
Расширение
Поскольку материал на основе карбида кремния не позволяет изготавливать силовые устройства непосредственно на подложке, требуются различные устройства на слое расширения.
Таким образом, после завершения изготовления подложки на подложке методом вытягивания выращивается определенная тонкая монокристаллическая пленка.
В настоящее время в основном используется метод химического газофазного осаждения (CVD).
Дизайн
После изготовления субстрата наступает этап проектирования изделия.
Для МОП-транзистора основное внимание в процессе проектирования уделяется проектированию канавки,с одной стороны, чтобы избежать нарушения патентных прав(Infineon, Rohm, ST и т.д. имеют патентную схему), а с другой стороны,соответствовать технологичности и стоимости производства.
Изготовление пластин
После завершения проектирования изделия оно переходит в стадию изготовления пластин.и этот процесс примерно аналогичен процессу с кремнием, который в основном состоит из следующих 5 этапов.
☆Шаг 1: Введите маску
Изготавливается слой пленки оксида кремния (SiO2), наносится фоторезист, формируется рисунок фоторезиста с помощью этапов гомогенизации, экспонирования, проявления и т. д., а рисунок переносится на пленку оксида с помощью процесса травления.
☆Шаг 2: Ионная имплантация
Замаскированная пластина карбида кремния помещается в установку ионной имплантации, куда вводятся ионы алюминия для формирования зоны легирования P-типа, и подвергается отжигу для активации имплантированных ионов алюминия.
Оксидная пленка удаляется, ионы азота инжектируются в определенную область легированной области P-типа для формирования проводящей области N-типа стока и истока, а имплантированные ионы азота отжигаются для их активации.
☆Шаг 3: Создайте сетку
Изготовление сетки. В области между истоком и стоком оксидный слой затвора подготавливается методом высокотемпературного окисления, а слой электрода затвора осаждается для формирования структуры управления затвором.
☆Шаг 4: Создание пассивирующих слоев
Создаётся пассивирующий слой. Наносится пассивирующий слой с хорошими изоляционными характеристиками для предотвращения межэлектродного пробоя.
☆Шаг 5: Изготовление электродов сток-исток
Сделайте сток и исток. Пассивирующий слой перфорируется, и металл напыляется для формирования стока и истока.
Источник фото: Синьси Капитал
Хотя разница между уровнем процесса и кремниевым уровнем невелика, из-за характеристик материалов на основе карбида кремния,Ионная имплантация и отжиг должны проводиться в условиях высокой температуры(до 1600 °C), высокая температура повлияет на структуру решетки самого материала, а сложность также повлияет на выход.
Кроме того, для компонентов MOSFET,Качество кислорода в затворе напрямую влияет на подвижность канала и надежность затвора., поскольку в карбидокремниевом материале присутствуют два вида атомов кремния и углерода.
Поэтому требуется специальный метод выращивания затворной среды (другой момент в том, что лист карбида кремния прозрачен, а совмещение положения на этапе фотолитографии для кремния затруднено).
После завершения изготовления пластины отдельный кристалл разрезается на отдельные кристаллы и может быть упакован в корпус в соответствии с назначением. Для дискретных устройств распространённым процессом является корпусирование по технологии TO.
МОП-транзисторы CoolSiC™ на 650 В в корпусе TO-247
Фото: Infineon
В автомобильной отрасли предъявляются высокие требования к мощности и рассеиванию тепла, и иногда возникает необходимость в непосредственном построении мостовых схем (полумостовых или полных мостовых, либо непосредственно в корпусах с диодами).
Поэтому его часто монтируют непосредственно в модули или системы. В зависимости от количества кристаллов, помещенных в один модуль, распространёнными являются схемы «1 в 1» (BorgWarner), «6 в 1» (Infineon) и т. д., а некоторые компании используют одноламповую параллельную схему.
Боргварнер Вайпер
Поддерживает двустороннее водяное охлаждение и SiC-MOSFET
Модули Infineon CoolSiC™ MOSFET
В отличие от кремния,Модули из карбида кремния работают при более высокой температуре, около 200 °С.
Температура плавления традиционного мягкого припоя низкая, что не позволяет удовлетворить требуемые температурные требования. Поэтому для модулей из карбида кремния часто используется низкотемпературная сварка серебряным припоем.
После завершения модуля его можно применить к системе деталей.
Контроллер двигателя Tesla Model3
Чистый чип от ST, корпус собственной разработки и система электропривода
☆02 Статус применения SiC?
В автомобильной отрасли силовые устройства в основном используются вDCDC, OBC, инверторы для двигателей, инверторы для электрических кондиционеров, беспроводная зарядка и другие деталитребующие быстрого преобразования переменного тока в постоянный (DCDC в основном действует как быстрый переключатель).
Фото: BorgWarner
По сравнению с материалами на основе кремния материалы SIC имеют более высокуюкритическая напряженность поля лавинного пробоя(3×106В/см),лучшая теплопроводность(49 Вт/мК) иболее широкую запрещенную зону(3,26 эВ).
Чем шире запрещённая зона, тем меньше ток утечки и выше КПД. Чем лучше теплопроводность, тем выше плотность тока. Чем сильнее критическое поле лавинного пробоя, тем выше стойкость прибора к напряжению.
Таким образом, в области бортового высокого напряжения МОП-транзисторы и SBD, изготовленные из материалов на основе карбида кремния, для замены существующей комбинации IGBT на основе кремния и FRD могут эффективно повысить мощность и эффективность.особенно в сценариях высокочастотного применения для снижения потерь при переключении.
В настоящее время наиболее вероятным направлением его широкомасштабного применения является применение в преобразователях частоты, а также в преобразователях частоты OBC и DCDC.
Платформа напряжением 800 В
На платформе с напряжением 800 В преимущество высокой частоты заставляет предприятия чаще выбирать решения на основе SiC-MOSFET. Поэтому большинство современных электронных систем управления на 800 В используют SiC-MOSFET.
Планирование на уровне платформы включает в себясовременный E-GMP, GM Otenergy – область пикапов, Porsche PPE и Tesla EPA.За исключением моделей платформы Porsche PPE, которые явно не оснащены SiC-MOSFET (первая модель — это IGBT на основе кремния), другие автомобильные платформы используют схемы SiC-MOSFET.
Универсальная Ультра энергетическая платформа
Планирование модели 800 В — это нечто большее,Great Wall Salon Brand Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI version, Ideal Car S01 и W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11 заявил, что будет нести платформу 800 В, в дополнение к BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen также заявил, что технология 800 В находится в стадии исследования.
Из ситуации с заказами 800 В, полученными поставщиками первого уровня,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics и Huichuanвсе объявленные заказы на электроприводы напряжением 800 В.
Платформа напряжением 400 В
На платформе с напряжением 400 В SiC-MOSFET в первую очередь рассматривается вопрос высокой мощности и плотности мощности, а также высокой эффективности.
Подобно двигателю Tesla Model 3\Y, который уже выпускается серийно, пиковая мощность двигателя BYD Hanhou составляет около 200 кВт (Tesla — 202, 194, 220 кВт, BYD — 180 кВт). NIO также будет использовать SiC-MOSFET, начиная с ET7 и ET5, которые будут представлены позже. Пиковая мощность составляет 240 кВт (ET5 — 210 кВт).
Кроме того, с точки зрения высокой эффективности некоторые предприятия также изучают возможность использования вспомогательной заливной продукции SiC-MOSFET.
Время публикации: 08 июля 2023 г.
