Võrreldes ränipõhiste võimsuspooljuhtidega on SiC (ränikarbiidist) võimsuspooljuhtidel märkimisväärsed eelised lülitussageduse, kadude, soojuse hajumise, miniaturiseerimise jms osas.
Tesla ränikarbiidist inverterite laiaulatusliku tootmisega on ka rohkem ettevõtteid hakanud ränikarbiidist tooteid müüma.
SiC on nii „hämmastav“, kuidas see ometi tehti? Millised on selle rakendused nüüd? Vaatame!
01 ☆ SiC sünd
Nagu teisedki võimsuspooljuhid, hõlmab ka SiC-MOSFET-i tööstuskett järgmist:Pikk kristall – substraat – epitaksia – disain – tootmine – pakendamine.
Pikk kristall
Erinevalt monokristallilisest ränist valmistatud Tira-meetodist kasutab pika kristallilise sideme valmistamisel ränikarbiid peamiselt füüsikalist gaasitranspordi meetodit (PVT, tuntud ka kui parendatud Lly või seemnekristallide sublimatsioonimeetod), lisaks kõrgtemperatuursele keemilisele gaasisadestamise meetodile (HTCVD).
☆ Põhisamm
1. Süsinik tahke tooraine;
2. Pärast kuumutamist muutub karbiidtahke aine gaasiks;
3. Gaas liigub seemnekristalli pinnale;
4. Gaas kasvab seemnekristalli pinnal kristalliks.
Pildi allikas: „PVT kasvu ränikarbiidi lahtivõtmise tehniline punkt“
Erinev käsitöö on ränibaasiga võrreldes põhjustanud kaks peamist puudust:
Esiteks on tootmine keeruline ja saagikus madal.Süsinikupõhise gaasifaasi temperatuur tõuseb üle 2300 °C ja rõhk on 350 MPa. Kogu tume kast läbib ja seda on lihtne lisanditega segada. Saagis on madalam kui räni baasil. Mida suurem on läbimõõt, seda madalam on saagis.
Teine on aeglane kasv.PVT-meetodi juhtimine on väga aeglane, kiirus on umbes 0,3–0,5 mm/h ja see võib 7 päevaga kasvada 2 cm. Maksimaalselt võib see kasvada vaid 3–5 cm ja kristallvaluploki läbimõõt on enamasti 4–6 tolli.
Ränil põhinev 72H võib kasvada 2–3 meetri kõrguseks, läbimõõduga enamasti 6 tolli ja 8 tolli, uus tootmisvõimsus 12 tolli jaoks.Seetõttu nimetatakse ränikarbiidi sageli kristallvaluplokiks ja ränist saab kristallpulk.
Karbiid-ränikristallvaluplokid
Aluspind
Pärast pika kristalli valmimist siseneb see substraadi tootmisprotsessi.
Pärast sihipärast lõikamist, lihvimist (jämedateraline lihvimine, peenlihvimine), poleerimist (mehaaniline poleerimine) ja ülitäpse poleerimise (keemiliselt mehaaniline poleerimine) saadakse ränikarbiidi aluspind.
Substraat mängib peamiseltfüüsilise toe, soojusjuhtivuse ja juhtivuse roll.Töötlemise keerukus seisneb selles, et ränikarbiidi materjal on kõrge, krõbe ja keemiliste omaduste poolest stabiilne. Seetõttu ei sobi traditsioonilised ränipõhised töötlemismeetodid ränikarbiidi aluspinna jaoks.
Lõikeefekti kvaliteet mõjutab otseselt ränikarbiidist toodete jõudlust ja kasutustõhusust (kulu), seega peab see olema väike, ühtlase paksusega ja madala lõikega.
Praegu4-tollised ja 6-tollised kasutavad peamiselt mitmerealist lõikeseadet,ränikristallide lõikamine õhukesteks viiludeks, mille paksus ei ületa 1 mm.
Mitmerealise lõike skemaatiline diagramm
Tulevikus, karboniseeritud räniplaatide suuruse suurenemisega, suurenevad ka materjalide kasutamise nõuded ning järk-järgult rakendatakse ka selliseid tehnoloogiaid nagu laserlõikus ja külmeraldus.
2018. aastal omandas Infineon Siltectra GmbH, mis töötas välja uuendusliku protsessi, mida tuntakse külmkrakkimisena.
Võrreldes traditsioonilise mitmejuhtmelise lõikeprotsessiga on kadu 1/4,Külmkrakkimisprotsess kaotas ainult 1/8 ränikarbiidi materjalist.
Laiendus
Kuna ränikarbiidimaterjal ei saa otse aluspinnale toiteseadmeid valmistada, on pikenduskihil vaja mitmesuguseid seadmeid.
Seega, pärast substraadi tootmist, kasvatatakse substraadile pikendamisprotsessi abil spetsiifiline monokristalliline õhuke kile.
Praegu kasutatakse peamiselt keemilise gaasi sadestamise meetodit (CVD).
Disain
Pärast aluspinna valmistamist siseneb see toote disaini etappi.
MOSFETi puhul on disainiprotsessi keskmes soone disain,ühelt poolt patendiõiguse rikkumise vältimiseks(Infineonil, Rohmil, ST-l jne on patenteeritud paigutus) ja teiselt pooltvastama valmistatavuse ja tootmiskuludele.
Vahvlite valmistamine
Pärast toote disaini valmimist siseneb see vahvlite tootmise etappi,ja protsess on ligikaudu sarnane räni omaga, millel on peamiselt järgmised 5 etappi.
☆ 1. samm: süstige mask
Valmistatakse ränioksiidi (SiO2) kile kiht, kaetakse fotoresist, homogeniseerimise, särituse, ilmutamise jne etappide abil moodustatakse fotoresisti muster ning kujund kantakse söövitusprotsessi abil oksiidkilele.
☆ 2. samm: ioonide implanteerimine
Maskeeritud ränikarbiidist vahvel asetatakse ioonimplantaatorisse, kuhu süstitakse alumiiniumioone P-tüüpi dopeerimistsooni moodustamiseks ja lõõmutatakse implanteeritud alumiiniumioonide aktiveerimiseks.
Oksiidikile eemaldatakse, lämmastikioonid süstitakse P-tüüpi dopingupiirkonna spetsiifilisse piirkonda, moodustades äravoolu ja allika N-tüüpi juhtiva piirkonna, ning implanteeritud lämmastikioonid lõõmutatakse nende aktiveerimiseks.
☆ 3. samm: Loo ruudustik
Valmistage võrk. Lähte ja neelu vahelises piirkonnas valmistatakse kõrgel temperatuuril oksüdeerimisprotsessi abil värava oksiidikiht ja värava elektroodikiht sadestatakse värava juhtstruktuuri moodustamiseks.
☆ 4. samm: Passiivkihtide valmistamine
Passiivkiht on valmistatud. Elektroodidevahelise läbipõlemise vältimiseks kantakse peale heade isoleerivate omadustega passiivkiht.
☆5. samm: Valmista äravoolu-allika elektroodid
Tehke äravool ja allikas. Passiveerimiskiht perforeeritakse ja metall pritsitakse, et moodustada äravool ja allikas.
Foto allikas: Xinxi Capital
Kuigi protsessi tasemel ja räni baasil valmistatud materjalide vahel on ränikarbiidmaterjalide omaduste tõttu vähe erinevusi,ioonide implanteerimine ja kuumutamine tuleb läbi viia kõrgel temperatuuril(kuni 1600 °C) mõjutab kõrge temperatuur materjali enda võrestruktuuri ja raskusaste mõjutab ka saagist.
Lisaks MOSFET-komponentide puhulVärava hapniku kvaliteet mõjutab otseselt kanali liikuvust ja värava töökindlust, kuna ränikarbiidimaterjalis on kahte tüüpi räni- ja süsinikuaatomeid.
Seetõttu on vaja spetsiaalset väravakeskkonna kasvumeetodit (teine punkt on see, et ränikarbiidileht on läbipaistev ja fotolitograafia etapis on positsioonide joondamine räni jaoks keeruline).
Pärast kiibi tootmise lõppu lõigatakse iga kiip paljaks ja pakendatakse vastavalt otstarbele. Diskreetsete seadmete puhul on tavaline protsess TO-pakendamine.
650V CoolSiC™ MOSFETid TO-247 korpuses
Foto: Infineon
Autotööstuses on suured võimsuse ja soojuse hajumise nõuded ning mõnikord on vaja ehitada otse sillaahelaid (poolsild või täissild või otse dioodidega pakendatud).
Seetõttu pakendatakse see sageli otse moodulitesse või süsteemidesse. Ühes moodulis pakendatud kiipide arvu järgi on levinud vorm 1 ühes (BorgWarner), 6 ühes (Infineon) jne ning mõned ettevõtted kasutavad ühetorulist paralleelskeemi.
Borgwarneri rästik
Toetab kahepoolset vesijahutust ja SiC-MOSFET-i
Infineon CoolSiC™ MOSFET moodulid
Erinevalt silikoonist,ränikarbiidist moodulid töötavad kõrgemal temperatuuril, umbes 200 °C.
Traditsioonilise pehme joodise temperatuur on madal ja sulamistemperatuur ei vasta temperatuurinõuetele. Seetõttu kasutatakse ränikarbiidi moodulite puhul sageli madala temperatuuriga hõbepaagutuskeevitusprotsessi.
Pärast mooduli valmimist saab seda osade süsteemile rakendada.
Tesla Model 3 mootori kontroller
Paljas kiip pärineb ST-lt, isearendatud pakendist ja elektriajamisüsteemist
☆02 SiC taotluse staatus?
Autotööstuses kasutatakse jõuseadmeid peamiseltDCDC, OBC, mootori inverterid, elektrilise kliimaseadme inverterid, juhtmevaba laadimine ja muud osadmis nõuavad vahelduvvoolu/alalisvoolu kiiret muundamist (alalisvoolu-alalisvoolu muundamine toimib peamiselt kiirlülitina).
Foto: BorgWarner
Võrreldes ränipõhiste materjalidega on SIC-materjalidel kõrgemkriitilise laviini läbimurdevälja tugevus(3×10⁶V/cm),parem soojusjuhtivus(49 W/mK) jalaiem sagedusriba(3,26 eV).
Mida laiem on keelutsoon, seda väiksem on lekkevool ja suurem on efektiivsus. Mida parem on soojusjuhtivus, seda suurem on voolutihedus. Mida tugevam on kriitilise laviini läbilöögiväli, seda parem on seadme pingetakistus.
Seega saab pardal olevate kõrgepingeseadmete valdkonnas olemasoleva ränipõhise IGBT ja FRD kombinatsiooni asendamiseks ränikarbiidist materjalidest valmistatud MOSFET-id ja SBD-d tõhusalt parandada võimsust ja efektiivsust.eriti kõrgsageduslike rakenduste puhul, et vähendada lülituskadusid.
Praegu on kõige tõenäolisem saavutada laiaulatuslikke rakendusi mootorimuundurites, millele järgnevad OBC ja DCDC.
800 V pingeplatvorm
800 V pingeplatvormil muudab kõrgsageduse eelis ettevõtted SiC-MOSFET-lahenduse valimise kalduvamaks. Seetõttu planeerib enamik praeguseid 800 V elektroonilisi juhtimislahendusi SiC-MOSFET-transistore.
Platvormi tasemel planeerimine hõlmab järgmist:kaasaegne E-GMP, GM Otenergy – pikapite väli, Porsche isikukaitsevahendid ja Tesla EPA.Välja arvatud Porsche PPE platvormimudelid, mis ei kanna otseselt SiC-MOSFET-i (esimene mudel on ränidioksiidil põhinev IGBT), kasutavad teised sõidukiplatvormid SiC-MOSFET-skeeme.
Universaalne Ultra energiaplatvorm
800 V mudeli planeerimine on enamat,Great Wall Saloni bränd Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI versioon, ideaalne auto S01 ja W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11 teatas, et see hakkab kandma 800 V platvormi, lisaks BYD-le, Lantu'le, GAC'anile, Mercedes-Benzile, Zero Runile, FAW Red Flagile ütles ka Volkswagen, et 800 V tehnoloogiat uuritakse.
Esimese taseme tarnijate saadud 800 V tellimuste olukorrast lähtuvaltBorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics ja Huichuankõik väljakuulutatud 800 V elektriajamite tellimused.
400 V pingeplatvorm
400 V pingeplatvormil on SiC-MOSFET peamiselt suure võimsuse, võimsustiheduse ja suure efektiivsuse kaalutlustel.
Näiteks Tesla Model 3\Y mootori puhul, mida nüüd masstootmises kasutatakse, on BYD Hanhou mootori tippvõimsus umbes 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW). NIO hakkab kasutama ka SiC-MOSFET-tooteid alates ET7-st ja ET5-st, mida loetletakse hiljem. Tippvõimsus on 240 kW (ET5 210 kW).
Lisaks uurivad mõned ettevõtted suure efektiivsuse seisukohast ka SiC-MOSFET-toodete abistavate üleujutuste teostatavust.
Postituse aeg: 08.07.2023
