Kompare kun silicibazitaj potencaj duonkonduktaĵoj, SiC (silicia karbido) potencaj duonkonduktaĵoj havas signifajn avantaĝojn rilate al ŝaltfrekvenco, perdo, varmodisradiado, miniaturigo, ktp.
Kun la grandskala produktado de siliciokarbidaj invetiloj fare de Tesla, pli da kompanioj ankaŭ komencis akiri siliciokarbidajn produktojn.
SiC estas tiel "mirinda", kiel diable ĝi estis farita? Kiuj estas la aplikoj nun? Ni vidu!
01 ☆ Naskiĝo de SiC
Kiel aliaj potencaj semikonduktaĵoj, la SiC-MOSFET-industria ĉeno inkluzivasla longa ligo kristalo – substrato – epitaksio – projektado – fabrikado – pakado.
Longa kristalo
Dum la longa kristala ligo, male al la Tira-metodo uzata per unu-kristala silicio, silicia karbido ĉefe uzas fizikan gastransportan metodon (PVT, ankaŭ konatan kiel plibonigita Lly aŭ semkristala sublimada metodo), kaj suplementojn al alttemperatura kemia gasa deponada metodo (HTCVD).
☆ Kerna paŝo
1. Karbona solida kruda materialo;
2. Post varmigo, la karbida solidaĵo fariĝas gaso;
3. Gaso moviĝas al la surfaco de la semkristalo;
4. Gaso kreskas sur la surfaco de la semkristalo en kristalon.
Fonto de la bildo: “Teknika Punkto por malmunti PVT-kreskan silician karbidon”
Malsama metiisteco kaŭzis du gravajn malavantaĝojn kompare kun la silicia bazo:
Unue, produktado estas malfacila kaj la rikolto estas malalta.La temperaturo de la karbon-bazita gasfazo kreskas super 2300 °C kaj la premo estas 350 MPa. La tuta malhela skatolo estas forprenita, kaj ĝi facile miksiĝas kun malpuraĵoj. La rendimento estas pli malalta ol ĉe la silicia bazo. Ju pli granda la diametro, des pli malalta la rendimento.
La dua estas malrapida kresko.La regado de la PVT-metodo estas tre malrapida, la rapideco estas ĉirkaŭ 0,3-0,5 mm/h, kaj ĝi povas kreski 2 cm en 7 tagoj. La maksimuma kresko povas esti nur 3-5 cm, kaj la diametro de la kristala orbriko estas plejparte 4 coloj kaj 6 coloj.
La silicio-bazita 72H povas kreski ĝis alteco de 2-3 metroj, kun diametroj plejparte 6 coloj kaj 8-cola nova produktadkapacito por 12 coloj.Tial, silicia karbido ofte nomiĝas kristala orbriko, kaj silicio fariĝas kristala bastoneto.
Karbidaj siliciaj kristalaj orbrikoj
Substrato
Post kiam la longa kristalo estas kompletigita, ĝi eniras la produktadprocezon de la substrato.
Post celita tranĉado, muelado (malglata muelado, fajna muelado), polurado (mekanika polurado), kaj ultra-preciza polurado (kemia mekanika polurado), oni akiras la silician karbidan substraton.
La substrato ĉefe ludasla rolo de fizika subteno, varmokondukteco kaj konduktiveco.La malfacilaĵo de la prilaborado estas, ke la silicia karbida materialo estas alta, krusteca, kaj stabila laŭ kemiaj ecoj. Tial, tradiciaj siliciaj prilaboraj metodoj ne taŭgas por silicia karbida substrato.
La kvalito de la tranĉa efiko rekte influas la rendimenton kaj utiligan efikecon (koston) de siliciaj karbidaj produktoj, do necesas, ke ĝi estu malgranda, unuforma dikeco kaj malalta tranĉado.
Nuntempe,4-cola kaj 6-cola ĉefe uzas plurlinian tranĉekipaĵon,tranĉante siliciajn kristalojn en maldikajn tranĉaĵojn kun dikeco de ne pli ol 1mm.
Multlinia tranĉa skemdiagramo
En la estonteco, kun la kresko de la grandeco de karbonigitaj siliciaj obletoj, la kresko de la bezonoj pri materiala utiligo pliiĝos, kaj teknologioj kiel lasera tranĉado kaj malvarma apartigo ankaŭ iom post iom estos aplikataj.
En 2018, Infineon akiris Siltectra GmbH, kiu evoluigis novigan procezon konatan kiel malvarma fendado.
Kompare kun la tradicia plurdrata tranĉprocezo, perdo de 1/4,la malvarma fendadprocezo nur perdis 1/8 de la siliciokarbida materialo.
Etendaĵo
Ĉar la siliciokarbida materialo ne povas fari potencajn aparatojn rekte sur la substrato, diversaj aparatoj estas necesaj sur la plilongiga tavolo.
Tial, post kiam la produktado de la substrato estas kompletigita, specifa unu-kristala maldika filmo estas kreskigita sur la substrato per la etenda procezo.
Nuntempe, la ĉefe uzatas la kemia gasa deponmetodo (CVD).
Dezajno
Post kiam la substrato estas farita, ĝi eniras la produktan dezajnfazon.
Por MOSFET, la fokuso de la dezajnprocezo estas la dezajno de la kanelo,unuflanke por eviti patentan malobservon(Infineon, Rohm, ST, ktp., havas patentan aranĝon), kaj aliflanke alplenumi la produkteblecon kaj fabrikadkostojn.
Oblate fabrikado
Post kiam la produkta dezajno estas kompletigita, ĝi eniras la fazon de fabrikado de oblatoj,kaj la procezo estas proksimume simila al tiu de silicio, kiu ĉefe havas la jenajn 5 paŝojn.
☆Paŝo 1: Injektu la maskon
Tavolo de silicia oksida (SiO2) filmo estas farita, la fotorezistaĵo estas kovrita, la fotorezista ŝablono estas formita per la paŝoj de homogenigo, eksponado, revelado, ktp., kaj la figuro estas transdonita al la oksida filmo per la gravura procezo.
☆Paŝo 2: Jona implantado
La maskita siliciokarbida oblato estas metita en jonan enplantaĵon, kie aluminiojonoj estas injektitaj por formi P-tipan dopan zonon, kaj kalcinigitaj por aktivigi la enplantitajn aluminiojonojn.
La oksida filmo estas forigita, nitrogenaj jonoj estas injektitaj en specifan regionon de la P-tipa dopa regiono por formi N-tipan konduktan regionon de la drenilo kaj fonto, kaj la enplantitaj nitrogenaj jonoj estas kalcinigitaj por aktivigi ilin.
☆Paŝo 3: Faru la kradon
Faru la kradon. En la areo inter la fonto kaj drenilo, la tavolo de la pordega oksido estas preparita per alttemperatura oksidiga procezo, kaj la tavolo de la pordega elektrodo estas deponita por formi la pordegan kontrolan strukturon.
☆Paŝo 4: Fari pasivigajn tavolojn
Pasiviga tavolo estas farita. Metu pasivigan tavolon kun bonaj izolaj karakterizaĵoj por malhelpi interelektrodan difekton.
☆Paŝo 5: Faru drenil-fontajn elektrodojn
Faru drenilon kaj fonton. La pasiviga tavolo estas truita kaj metalo estas ŝprucita por formi drenilon kaj fonton.
Fotofonto: Xinxi Capital
Kvankam estas malmulta diferenco inter la proceznivelo kaj siliciobazita, pro la karakterizaĵoj de siliciaj karbidaj materialoj,jona implantado kaj kalcinado devas esti efektivigitaj en alttemperatura medio(ĝis 1600 °C), alta temperaturo influos la kradstrukturon de la materialo mem, kaj la malfacileco ankaŭ influos la rendimenton.
Krome, por MOSFET-komponantoj,la kvalito de pordega oksigeno rekte influas la kanalan moveblecon kaj pordegan fidindecon, ĉar ekzistas du specoj de silicio- kaj karbonatomoj en la siliciokarbida materialo.
Tial necesas speciala metodo por kresko de pordego (alia punkto estas, ke la siliciokarbida folio estas travidebla, kaj la pozicia vicigo ĉe la fotolitografia stadio estas malfacila al silicio).
Post kiam la fabrikado de la silo estas finita, la individua ĉipo estas tranĉita en nudan ĉipon kaj povas esti pakita laŭ la celo. La komuna procezo por diskretaj aparatoj estas TO-pakado.
650V CoolSiC™ MOSFET-oj en TO-247-pako
Foto: Infineon
La aŭtomobila kampo havas altajn postulojn pri potenco kaj varmodisradiado, kaj kelkfoje necesas rekte konstrui pontcirkvitojn (duonponto aŭ plena ponto, aŭ rekte pakitaj kun diodoj).
Tial, ĝi ofte estas pakita rekte en modulojn aŭ sistemojn. Laŭ la nombro da blatoj pakitaj en unuopa modulo, la komuna formo estas 1 en 1 (BorgWarner), 6 en 1 (Infineon), ktp., kaj iuj kompanioj uzas unu-tuban paralelan skemon.
Borgwarner Viper
Subtenas duflankan akvomalvarmigon kaj SiC-MOSFET
Infineon CoolSiC™ MOSFET-moduloj
Male al silicio,siliciaj karbidaj moduloj funkcias je pli alta temperaturo, ĉirkaŭ 200 °C.
Tradicia mola lutaĵo havas malaltan fandopunkton, kiu ne povas plenumi la temperaturpostulojn. Tial, siliciaj karbidaj moduloj ofte uzas malalt-temperaturan arĝentan sintradon.
Post kiam la modulo estas kompletigita, ĝi povas esti aplikita al la parta sistemo.
Tesla Model3 motorregilo
La nuda ĉipo venas de ST, mem-disvolvita pakaĵo kaj elektra transmisiosistemo
☆02 Aplika stato de SiC?
En la aŭtomobila kampo, potencaj aparatoj estas ĉefe uzataj enDCDC, OBC, motoraj invetiloj, elektraj klimatizilaj invetiloj, sendrata ŝargado kaj aliaj partojkiuj postulas rapidan konvertiĝon AC/DC (DCDC ĉefe funkcias kiel rapida ŝaltilo).
Foto: BorgWarner
Kompare kun silicio-bazitaj materialoj, SIC-materialoj havas pli altajnkritika lavanga disfala kampoforto(3×10⁶V/cm),pli bona varmokondukteco(49W/mK) kajpli larĝa bendbreĉo(3,26 eV).
Ju pli larĝa la bendbreĉo, des pli malgranda la elflua kurento kaj des pli alta la efikeco. Ju pli bona la varmokondukteco, des pli alta la kurentdenseco. Ju pli forta la kritika lavanga disfala kampo, des pli bona estas la tensiorezisto de la aparato.
Tial, en la kampo de surŝipa alta tensio, MOSFET-oj kaj SBD preparitaj per siliciokarbidaj materialoj por anstataŭigi la ekzistantan silicio-bazitan IGBT kaj FRD-kombinaĵon povas efike plibonigi potencon kaj efikecon,precipe en altfrekvencaj aplikaĵscenaroj por redukti ŝaltilperdojn.
Nuntempe, ĝi plej verŝajne atingos grandskalajn aplikojn en motorinvetiloj, sekvata de OBC kaj DCDC.
800V tensio platformo
En la 800V-tensio-platformo, la avantaĝo de alta frekvenco igas entreprenojn pli emaj elekti SiC-MOSFET-solvon. Tial, plej multaj el la nunaj 800V-elektronikaj kontrolplanoj SiC-MOSFET uzas.
Platformnivela planado inkluzivasmoderna E-GMP, GM Otenergy - ŝarĝaŭta kampo, Porsche PPE, kaj Tesla EPA.Krom la platformmodeloj de Porsche PPE, kiuj ne eksplicite portas SiC-MOSFET (la unua modelo estas silik-bazita IGBT), aliaj veturilaj platformoj adoptas SiC-MOSFET-skemojn.
Universala Ultra-energia platformo
800V-modelplanado estas pli,la marko Great Wall Salon Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI versio, ideala aŭto S01 kaj W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11 diris, ke ĝi portos 800V-platformon, krom BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen ankaŭ diris, ke 800V-teknologio estas en esplorado.
El la situacio de 800V mendoj akiritaj de Tier1-provizantoj,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics, kaj Huichuanĉiuj anoncis mendojn de 800V elektraj transmisiiloj.
400V tensio platformo
En la 400V-tensia platformo, SiC-MOSFET ĉefe konsideras altan potencon kaj potencodensecon kaj altan efikecon.
Ekzemple, la motoro Tesla Model 3\Y, kiu nun estas amasproduktata, kies pinta potenco estas ĉirkaŭ 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW), NIO ankaŭ uzos SiC-MOSFET-produktojn, komencante de ET7 kaj ET5, kiuj estos listigitaj poste. La pinta potenco estas 240 kW (ET5 210 kW).
Krome, el la perspektivo de alta efikeco, iuj entreprenoj ankaŭ esploras la fareblecon de helpaj inundaj SiC-MOSFET-produktoj.
Afiŝtempo: 8-a de Julio, 2023
