Võrreldes ränipõhiste jõupooljuhtidega on SiC (ränikarbiid) jõupooljuhtidel märkimisväärsed eelised lülitussageduse, kadude, soojuse hajumise, miniaturiseerimise jms osas.
Tesla ränikarbiidist inverterite suuremahulise tootmisega on hakanud rohkem ettevõtteid ka ränikarbiidist tooteid müüma.
SiC on nii "hämmastav", kuidas kuradil see tehti? Millised rakendused on praegu? Vaatame!
01 ☆ SiC sünd
Sarnaselt teistele jõupooljuhtidele hõlmab SiC-MOSFET-i tööstuskettpikk kristall – substraat – epitaksia – disain – tootmine – pakendamine.
Pikk kristall
Pika kristalliühenduse ajal, erinevalt monokristallilise räni poolt kasutatava Tira meetodi valmistamisest, kasutab ränikarbiid peamiselt füüsikalist gaasi transportimise meetodit (PVT, tuntud ka kui täiustatud Lly või seemnekristallide sublimatsioonimeetod), kõrge temperatuuriga keemilise gaasi sadestamise meetodit (HTCVD). ) toidulisandid.
☆ Põhietapp
1. Süsinik tahke tooraine;
2. Pärast kuumutamist muutub karbiidi tahke aine gaasiliseks;
3. Gaaside liikumine seemnekristalli pinnale;
4. Gaas kasvab seemnekristalli pinnal kristalliks.
Pildi allikas: "Tehniline punkt PVT kasvu ränikarbiidi lahtivõtmiseks"
Erinevad viimistletud omadused on toonud kaasa kaks suurt puudust võrreldes ränipõhjaga:
Esiteks on tootmine keeruline ja saagikus väike.Süsinikupõhise gaasifaasi temperatuur tõuseb üle 2300 ° C ja rõhk on 350 MPa. Kogu tume kast on läbi viidud ja seda on lihtne lisanditesse segada. Saagis on väiksem kui räni baasil. Mida suurem on läbimõõt, seda väiksem on saagikus.
Teine on aeglane kasv.PVT meetodi juhtimine on väga aeglane, kiirus on umbes 0,3-0,5 mm/h ja see võib kasvada 2 cm 7 päevaga. Maksimaalselt võib kasvada vaid 3–5 cm ja kristalli valuploki läbimõõt on enamasti 4 tolli ja 6 tolli.
Siliconil põhinev 72H võib kasvada 2–3 m kõrguseks, läbimõõduga enamasti 6 tolli ja 8-tollise uue tootmisvõimsusega 12 tolli jaoks.Seetõttu nimetatakse ränikarbiidi sageli kristallvaluplokiks ja ränist saab kristallpulk.
Karbiidist räni kristallist valuplokid
Substraat
Pärast pika kristalli valmimist siseneb see substraadi tootmisprotsessi.
Pärast sihipärast lõikamist, lihvimist (jäme lihvimine, peenlihvimine), poleerimist (mehaaniline poleerimine), ülitäpset poleerimist (keemiline mehaaniline poleerimine) saadakse ränikarbiidi substraat.
Substraat mängib peamiseltfüüsilise toe roll, soojusjuhtivus ja juhtivus.Töötlemise raskus seisneb selles, et ränikarbiidmaterjal on kõrge, krõbe ja keemiliste omaduste poolest stabiilne. Seetõttu ei sobi traditsioonilised ränipõhised töötlemismeetodid ränikarbiidi substraadi jaoks.
Lõikeefekti kvaliteet mõjutab otseselt ränikarbiidist toodete jõudlust ja kasutusefektiivsust (kulu), seega peab see olema väike, ühtlane paksus ja madal lõikamine.
Praegusel ajal4-tollised ja 6-tollised kasutavad peamiselt mitmerealisi lõikeseadmeid,ränikristallide lõikamine õhukesteks viiludeks, mille paksus ei ületa 1 mm.
Mitmerealine lõikamise skemaatiline diagramm
Tulevikus koos karboniseeritud räniplaatide suuruse suurenemisega suurenevad materjalikasutuse nõuded ning järk-järgult hakatakse rakendama ka selliseid tehnoloogiaid nagu laserviilutamine ja külmeraldus.
2018. aastal ostis Infineon Siltectra GmbH, mis töötas välja uuendusliku protsessi, mida nimetatakse külmkrakkimiseks.
Võrreldes traditsioonilise mitme traadiga lõikamisprotsessi kadudega 1/4,külmkrakkimise protsess kaotas ainult 1/8 ränikarbiidmaterjalist.
Laiendus
Kuna ränikarbiidmaterjal ei saa toiteseadmeid otse aluspinnale teha, on pikenduskihil vaja erinevaid seadmeid.
Seetõttu kasvatatakse pärast substraadi tootmise lõpetamist substraadile pikendusprotsessi kaudu spetsiaalne ühekristalliline õhuke kile.
Praegu kasutatakse peamiselt keemilise gaasisadestamise meetodit (CVD).
Disain
Pärast substraadi valmistamist läheb see toote kujundamise etappi.
MOSFETi puhul on projekteerimisprotsessi keskmes soone kujundus,ühelt poolt patendi rikkumise vältimiseks(Infineon, Rohm, ST jne on patenteeritud paigutusega) ja teisest küljestvastama valmistatavusele ja tootmiskuludele.
Vahvlite valmistamine
Pärast toote disaini valmimist siseneb see vahvlite valmistamise etappi,ja protsess on ligikaudu sarnane räni omaga, millel on peamiselt järgmised 5 etappi.
☆ 1. samm: süstige mask
Valmistatakse ränioksiidi (SiO2) kile kiht, fotoresist kaetakse, fotoresisti muster moodustatakse homogeniseerimise, särituse, arendamise jne etappide kaudu ning figuur kantakse söövitusprotsessi kaudu oksiidkilele.
☆2. samm: ioonide implanteerimine
Maskeeritud ränikarbiidist vahvel asetatakse iooniimplanterisse, kuhu süstitakse alumiiniumioone, et moodustada P-tüüpi dopingutsoon, ja lõõmutatakse, et aktiveerida implanteeritud alumiiniumioonid.
Oksiidkile eemaldatakse, lämmastikuioonid süstitakse P-tüüpi dopingupiirkonna spetsiifilisse piirkonda, et moodustada äravoolu ja allika N-tüüpi juhtiv piirkond, ning siirdatud lämmastikuioone lõõmutatakse nende aktiveerimiseks.
☆ 3. samm: looge ruudustik
Tehke võrk. Allika ja äravoolu vahelises piirkonnas valmistatakse paisu oksiidikiht kõrgel temperatuuril oksüdatsiooniprotsessiga ja värava elektroodikiht sadestatakse, et moodustada värava juhtimisstruktuur.
☆ 4. samm: passiveerimiskihtide valmistamine
Valmistatakse passiveerimiskiht. Paigaldage passiveerimiskiht, millel on head isolatsiooniomadused, et vältida elektroodidevahelist purunemist.
☆ 5. samm: tehke äravooluallika elektroodid
Tehke äravool ja allikas. Passiveerimiskiht on perforeeritud ja metalli pihustatakse, et moodustada äravool ja allikas.
Foto allikas: Xinxi Capital
Kuigi ränikarbiidmaterjalide omaduste tõttu on protsessitaseme ja ränipõhiste vahel vähe erinevusi,ioonide implanteerimine ja lõõmutamine tuleb läbi viia kõrge temperatuuriga keskkonnas(kuni 1600 ° C) mõjutab kõrge temperatuur materjali enda võre struktuuri ja raskus mõjutab ka saagist.
Lisaks MOSFET-komponentide puhulvärava hapniku kvaliteet mõjutab otseselt kanali liikuvust ja värava töökindlust, sest ränikarbiidi materjalis on kahte tüüpi räni ja süsiniku aatomeid.
Seetõttu on vaja spetsiaalset väravasöötme kasvumeetodit (teine punkt on see, et ränikarbiidi leht on läbipaistev ja positsiooni joondamine fotolitograafia etapis on räniga raske).
Pärast vahvli valmistamise lõpetamist lõigatakse üksik kiip paljaks laastuks ja seda saab pakendada vastavalt eesmärgile. Diskreetsete seadmete tavaline protsess on TO-pakett.
650 V CoolSiC™ MOSFET-id pakendis TO-247
Foto: Infineon
Autotööstuses on kõrged nõuded võimsuse ja soojuse hajumise osas ning mõnikord on vaja otse ehitada sillaahelaid (poolsild või täissild või otse dioodidega pakendatud).
Seetõttu pakitakse see sageli otse moodulitesse või süsteemidesse. Vastavalt ühte moodulisse pakendatud kiipide arvule on levinud vorm 1 in 1 (BorgWarner), 6 in 1 (Infineon) jne ning mõned ettevõtted kasutavad ühetoru paralleelskeemi.
Borgwarner Rästik
Toetab kahepoolset vesijahutust ja SiC-MOSFET-i
Infineon CoolSiC™ MOSFET moodulid
Erinevalt ränist,ränikarbiidi moodulid töötavad kõrgemal temperatuuril, umbes 200 ° C.
Traditsioonilise pehme joodise sulamistemperatuuri temperatuur on madal, ei vasta temperatuurinõuetele. Seetõttu kasutavad ränikarbiidi moodulid sageli madala temperatuuriga hõbeda paagutamise keevitusprotsessi.
Pärast mooduli valmimist saab seda osade süsteemile rakendada.
Tesla Model3 mootorikontroller
Paljas kiip pärineb ST-st, enda väljatöötatud paketist ja elektriajamisüsteemist
☆02 SiC rakenduse olek?
Autotööstuses kasutatakse peamiselt jõuseadmeidDCDC, OBC, mootoriinverterid, elektrilised kliimaseadme inverterid, juhtmevaba laadimine ja muud osadmis nõuavad AC/DC kiiret konversiooni (DCDC toimib peamiselt kiire lülitina).
Foto: BorgWarner
Võrreldes ränipõhiste materjalidega on SIC materjalidel kõrgemkriitilise laviini purunemise väljatugevus(3 × 106 V/cm),parem soojusjuhtivus(49W/mK) jalaiem ribavahe(3,26eV).
Mida suurem on ribalaius, seda väiksem on lekkevool ja seda suurem on efektiivsus. Mida parem on soojusjuhtivus, seda suurem on voolutihedus. Mida tugevam on kriitiline laviini purunemisväli, seda saab parandada seadme pingetakistust.
Seetõttu võivad rongisisese kõrgepinge valdkonnas olemasoleva ränipõhise IGBT ja FRD kombinatsiooni asendamiseks valmistatud ränikarbiidmaterjalidest valmistatud MOSFET-id ja SBD tõhusalt parandada võimsust ja tõhusust,eriti kõrgsageduslike rakenduste puhul, et vähendada lülituskadusid.
Praegu on kõige tõenäolisem, et saavutatakse suuremahulised rakendused mootoriinverterites, millele järgnevad OBC ja DCDC.
800V pingeplatvorm
800 V pingeplatvormis paneb kõrgsageduse eelis ettevõtted rohkem valima SiC-MOSFET lahendust. Seetõttu on enamik praegusest 800V elektroonilisest juhtimisest planeeritud SiC-MOSFET.
Platvormi tasemel planeerimine sisaldabkaasaegne E-GMP, GM Otenergy – pikapiväli, Porsche PPE ja Tesla EPA.Välja arvatud Porsche PPE-platvormide mudelid, mis ei sisalda selgesõnaliselt SiC-MOSFET-i (esimene mudel on ränidioksiidil põhinev IGBT), kasutavad teised sõidukiplatvormid SiC-MOSFET-skeeme.
Universaalne Ultra energiaplatvorm
800 V mudeli planeerimine on rohkem,Great Wall Saloni kaubamärk Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI versioon, ideaalne auto S01 ja W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 ütles, et see viib läbi 800 V platvormi, lisaks BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen ütles ka 800 V tehnoloogiat teadusuuringutes.
800 V tellimuste olukorrast, mille on saanud Tier1 tarnijad,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics ja Huichuankõik kuulutasid välja 800 V elektriajami tellimused.
400V pingeplatvorm
400 V pingeplatvormil arvestab SiC-MOSFET peamiselt suure võimsuse ja võimsustiheduse ning kõrge efektiivsusega.
Näiteks nüüd masstoodanguna valminud Tesla Model 3\Y mootoril, mille BYD Hanhou mootori tippvõimsus on umbes 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), hakkab NIO kasutama ka SiC-MOSFET tooteid alates ET7-st. ja ET5, mis loetletakse hiljem. Tippvõimsus on 240Kw (ET5 210Kw).
Lisaks uurivad mõned ettevõtted suure tõhususe seisukohast ka täiendavate SiC-MOSFET-toodete üleujutamise teostatavust.
Postitusaeg: juuli-08-2023
