По сравнению с силовыми полупроводниками на основе кремния силовые полупроводники SiC (карбид кремния) имеют значительные преимущества по частоте переключения, потерям, рассеиванию тепла, миниатюризации и т. д.
Благодаря крупномасштабному производству инверторов из карбида кремния компанией Tesla, все больше компаний также начали продавать продукцию из карбида кремния.
SiC такой «удивительный», как же он был сделан?Какие приложения сейчас?Давайте посмотрим!
01 ☆ Рождение SiC
Как и другие силовые полупроводники, отраслевая цепочка SiC-MOSFET включает в себязвено «длинный кристалл – подложка – эпитаксия – дизайн – производство – упаковка».
Длинный кристалл
Во время длинной кристаллической связи, в отличие от получения метода Тира, используемого монокристаллическим кремнием, карбид кремния в основном использует метод физической транспортировки газа (PVT, также известный как улучшенный метод Lly или метод сублимации затравочных кристаллов), метод высокотемпературного химического газового осаждения (HTCVD). ) добавки.
☆ Основной шаг
1. Углеродистое твердое сырье;
2. После нагрева твердый карбид становится газом;
3. Газ перемещается на поверхность затравочного кристалла;
4. Газ на поверхности затравки превращается в кристалл.
Источник изображения: «Технический пункт по разборке PVT наращивания карбида кремния»
Различное мастерство привело к двум основным недостаткам по сравнению с кремниевой основой:
Во-первых, производство затруднено, а урожайность низкая.Температура газовой фазы на основе углерода возрастает выше 2300°С, а давление составляет 350 МПа.Весь темный ящик выносится, и его легко смешивать с примесями.Выход ниже, чем у кремниевой основы.Чем больше диаметр, тем ниже урожайность.
Во-вторых, медленный рост.Управление методом PVT очень медленное, скорость составляет около 0,3-0,5 мм/ч, и он может вырасти на 2 см за 7 дней.Максимум может вырасти всего на 3-5 см, а диаметр кристаллического слитка в основном составляет 4 и 6 дюймов.
72H на основе кремния может вырасти до высоты 2-3 м, при диаметре в основном 6 дюймов и 8-дюймовой новой производственной мощности на 12 дюймов.Поэтому карбид кремния часто называют кристаллическим слитком, а кремний становится кристаллической палочкой.
Слитки кристаллов карбида кремния
Субстрат
После того, как длинный кристалл готов, он поступает в процесс производства подложки.
После целенаправленной резки, шлифования (грубого шлифования, тонкого шлифования), полировки (механической полировки), сверхточной полировки (химико-механической полировки) получают подложку из карбида кремния.
Субстрат в основном играетроль физической опоры, теплопроводности и проводимости.Сложность обработки состоит в том, что карбидокремниевый материал отличается высокой прочностью, хрустящей корочкой и стабильностью по химическим свойствам.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 они должны быть небольшими, одинаковой толщины и низкой резкостью.
В настоящий момент,4-дюймовый и 6-дюймовый в основном использует многолинейное режущее оборудование,нарезка кристаллов кремния на тонкие пластинки толщиной не более 1мм.
Принципиальная схема многолинейной резки
В будущем, с увеличением размера карбонизированных кремниевых пластин, требования к использованию материалов будут возрастать, а также постепенно будут применяться такие технологии, как лазерная нарезка и холодное разделение.
В 2018 году Infineon приобрела компанию Siltectra GmbH, которая разработала инновационный процесс, известный как холодный крекинг.
По сравнению с традиционными потерями в процессе многопроволочной резки, составляющими 1/4,в процессе холодного растрескивания теряется только 1/8 карбидокремниевого материала.
Расширение
Поскольку материал карбида кремния не может создавать силовые устройства непосредственно на подложке, на удлинительном слое требуются различные устройства.
Таким образом, после завершения изготовления подложки на подложке посредством процесса растяжения выращивается определенная тонкая монокристаллическая пленка.
В настоящее время в основном используется процесс химического газового осаждения (CVD).
Дизайн
После того как подложка изготовлена, она переходит на стадию 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,обеспечить технологичность и производственные затраты.
Изготовление пластин
После завершения проектирования продукта он переходит на стадию производства пластин.и этот процесс примерно аналогичен процессу производства кремния, который в основном состоит из следующих 5 этапов.
☆Шаг 1: Введите маску.
Делается слой пленки оксида кремния (SiO2), наносится фоторезист, формируется рисунок фоторезиста посредством этапов гомогенизации, экспонирования, проявления и т. д., а рисунок переносится на оксидную пленку посредством процесса травления.
☆Шаг 2: Ионная имплантация
Замаскированная пластина карбида кремния помещается в ионный имплантатор, куда вводятся ионы алюминия для формирования зоны легирования P-типа и отжигаются для активации имплантированных ионов алюминия.
Оксидная пленка удаляется, ионы азота вводятся в определенную область легирующей области P-типа для формирования проводящей области N-типа стока и истока, а имплантированные ионы азота отжигаются для их активации.
☆Шаг 3: Создайте сетку
Сделайте сетку.В области между истоком и стоком оксидный слой затвора готовится в процессе высокотемпературного окисления, а слой электрода затвора осаждается для формирования структуры управления затвором.
☆Шаг 4: Создание слоев пассивации
Пассивационный слой выполнен.Нанесите пассивирующий слой с хорошими изоляционными характеристиками для предотвращения межэлектродного пробоя.
☆Шаг 5: Изготовьте электроды сток-исток.
Сделать сток и источник.Пассивирующий слой перфорируется и напыляется металл для формирования стока и истока.
Источник фото: Синьси Капитал
Несмотря на то, что существует небольшая разница между уровнем процесса и процессом на основе кремния из-за характеристик материалов из карбида кремния,ионная имплантация и отжиг должны проводиться в высокотемпературной среде.(до 1600°С), высокая температура повлияет на решетчатую структуру самого материала, а сложность повлияет и на выход продукции.
Кроме того, для компонентов MOSFETкачество кислорода в воротах напрямую влияет на мобильность канала и надежность ворот, потому что в материале карбида кремния есть два типа атомов кремния и углерода.
Поэтому требуется специальный метод выращивания затворной среды (другой момент заключается в том, что лист карбида кремния прозрачен, и выравнивание положения кремния на этапе фотолитографии затруднено).
После завершения изготовления пластины отдельный чип разрезается на голый чип и может быть упакован в соответствии с назначением.Общим процессом для дискретных устройств является упаковка ТО.
МОП-транзисторы CoolSiC™ 650 В в корпусе TO-247
Фото: Инфинеон
В автомобильной отрасли предъявляются высокие требования к мощности и рассеиванию тепла, и иногда необходимо напрямую создавать мостовые схемы (полумостовые или полномостовые, или непосредственно в корпусе с диодами).
Поэтому его часто упаковывают непосредственно в модули или системы.По количеству микросхем, упакованных в один модуль, распространена форма 1 в 1 (BorgWarner), 6 в 1 (Infineon) и т. д., а некоторые компании используют одноламповую параллельную схему.
Боргварнер Гадюка
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.
Традиционная температура плавления мягкого припоя низкая, не может соответствовать температурным требованиям.Поэтому в модулях из карбида кремния часто используется процесс низкотемпературной сварки спеканием серебра.
После завершения модуля его можно применить к системе деталей.
Контроллер двигателя Tesla Model3
Голый чип изготовлен из пакета ST, собственной разработки и системы электропривода.
☆02 Статус применения SiC?
В автомобильной сфере силовые устройства в основном используются вDCDC, OBC, инверторы двигателей, инверторы для электрических кондиционеров, беспроводная зарядка и другие детали.которые требуют быстрого преобразования переменного/постоянного тока (DCDC в основном действует как быстрый переключатель).
Фото: БоргВарнер
По сравнению с материалами на основе кремния, материалы SIC имеют более высокиекритическая напряженность поля лавинного пробоя(3×106В/см),лучшая теплопроводность(49 Вт/мК) иболее широкая запрещенная зона(3,26 эВ).
Чем шире запрещенная зона, тем меньше ток утечки и выше эффективность.Чем лучше теплопроводность, тем выше плотность тока.Чем сильнее критическое поле лавинного пробоя, тем можно улучшить устойчивость устройства к напряжению.
Таким образом, в области бортового высокого напряжения полевые МОП-транзисторы и SBD, изготовленные из карбидокремниевых материалов для замены существующей комбинации IGBT и FRD на основе кремния, могут эффективно повысить мощность и эффективность.особенно в сценариях высокочастотных приложений, чтобы уменьшить потери при переключении.
В настоящее время наиболее вероятно широкомасштабное применение в инверторах двигателей, за которыми следуют OBC и DCDC.
Платформа напряжения 800 В
На платформе напряжения 800 В преимущество высокой частоты заставляет предприятия более склоняться к выбору решения SiC-MOSFET.Поэтому большая часть текущего электронного управления 800 В планирует SiC-MOSFET.
Планирование на уровне платформы включает в себясовременный E-GMP, GM Otenergy – пикап, Porsche PPE и Tesla EPA.За исключением моделей платформы Porsche PPE, которые явно не содержат SiC-MOSFET (первая модель представляет собой IGBT на основе кремния), другие автомобильные платформы используют схемы SiC-MOSFET.
Универсальная энергетическая платформа Ultra
Планирование модели 800 В — это больше,бренд салона Great Wall Jiagirong, версия Beiqi полюс Fox S HI, идеальный автомобиль S01 и W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 заявил, что он 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 на 800 В, полученными поставщиками первого уровня,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics и Huichuanвсе объявленные заказы на электроприводы на 800 В.
Платформа напряжения 400 В
В платформе напряжения 400 В SiC-MOSFET в основном учитывает высокую мощность, плотность мощности и высокую эффективность.
Например, двигатель Tesla Model 3\Y, который сейчас производится серийно, пиковая мощность двигателя BYD Hanhou составляет около 200 кВт (Tesla 202 кВт, 194 кВт, 220 кВт, BYD 180 кВт), NIO также будет использовать продукты SiC-MOSFET, начиная с ET7. и ET5, который будет указан позже.Пиковая мощность составляет 240 кВт (ET5 210 кВт).
Кроме того, с точки зрения высокой эффективности некоторые предприятия также изучают возможность использования вспомогательных продуктов SiC-MOSFET.
Время публикации: 08 июля 2023 г.