Silikon asosidagi quvvatli yarimo'tkazgichlar bilan solishtirganda, SiC (kremniy karbid) quvvatli yarim o'tkazgichlar kommutatsiya chastotasi, yo'qotish, issiqlik tarqalishi, miniatyura va hokazolarda muhim afzalliklarga ega.
Tesla tomonidan kremniy karbid invertorlarini keng miqyosda ishlab chiqarish bilan birga, ko'proq kompaniyalar ham kremniy karbid mahsulotlarini ishlab chiqarishni boshladilar.
SiC juda "ajoyib", u qanday qilib yaratilgan?Hozir qanday ilovalar bor?Ko'raylikchi!
01 ☆ SiC tug'ilishi
Boshqa quvvat yarimo'tkazgichlari singari, SiC-MOSFET sanoat zanjiri ham o'z ichiga oladiuzun kristall - substrat - epitaksiya - dizayn - ishlab chiqarish - qadoqlash aloqasi.
Uzun kristall
Uzoq kristalli aloqa paytida, bitta kristalli kremniy tomonidan qo'llaniladigan Tira usulini tayyorlashdan farqli o'laroq, silikon karbid asosan fizik gazni tashish usulini (PVT, shuningdek, yaxshilangan Lly yoki urug'lik kristalli sublimatsiya usuli sifatida ham tanilgan), yuqori haroratli kimyoviy gazni cho'ktirish usulini (HTCVD) qo'llaydi. ) qo'shimchalar.
☆ Asosiy qadam
1. Karbonli qattiq xom ashyo;
2. Isitishdan keyin qattiq karbid gazga aylanadi;
3. Urug' kristalining yuzasiga gazning harakatlanishi;
4. Urug' kristalining yuzasida gaz o'sib, kristallga aylanadi.
Rasm manbai: "PVT o'sishi silikon karbidini qismlarga ajratish uchun texnik nuqta"
Turli xil hunarmandchilik kremniy asosiga nisbatan ikkita katta kamchilikka olib keldi:
Birinchidan, ishlab chiqarish qiyin va hosil past.Uglerodga asoslangan gaz fazasining harorati 2300 ° C dan oshadi va bosim 350MPa ni tashkil qiladi.Butun qorong'u quti amalga oshiriladi va aralashmalarga aralashtirish oson.Hosildorlik kremniy asosidan past.Diametri qanchalik katta bo'lsa, unumdorligi past bo'ladi.
Ikkinchisi - sekin o'sish.PVT usulini boshqarish juda sekin, tezligi taxminan 0,3-0,5 mm / soatni tashkil qiladi va 7 kun ichida 2 sm o'sishi mumkin.Maksimal faqat 3-5 sm o'sishi mumkin va kristall ingotning diametri asosan 4 dyuym va 6 dyuymni tashkil qiladi.
Silikon asosidagi 72H 2-3 m balandlikda o'sishi mumkin, diametri asosan 6 dyuym va 12 dyuym uchun 8 dyuymli yangi ishlab chiqarish quvvati.Shuning uchun, kremniy karbid ko'pincha kristall ingot deb ataladi va kremniy kristalli tayoqqa aylanadi.
Karbid kremniy kristalli ingotlari
Substrat
Uzoq kristall tugagandan so'ng, u substratning ishlab chiqarish jarayoniga kiradi.
Maqsadli kesish, silliqlash (qo'pol silliqlash, nozik silliqlash), silliqlash (mexanik abraziv), ultra aniqlik (kimyoviy mexanik polishing) dan keyin kremniy karbid substrati olinadi.
Substrat asosan o'ynaydijismoniy qo'llab-quvvatlash, issiqlik o'tkazuvchanlik va o'tkazuvchanlikning roli.Qayta ishlashning qiyinligi shundaki, silikon karbid moddasi yuqori, tiniq va kimyoviy xossalarda barqaror.Shuning uchun an'anaviy kremniyga asoslangan ishlov berish usullari silikon karbid substratiga mos kelmaydi.
Kesish effektining sifati to'g'ridan-to'g'ri silikon karbid mahsulotlarining ishlashi va foydalanish samaradorligiga (narxiga) ta'sir qiladi, shuning uchun kichik, bir xil qalinlik va past kesish talab qilinadi.
Ayni paytda,4 dyuym va 6 dyuym asosan ko'p chiziqli kesish uskunasidan foydalanadi,kremniy kristallarini qalinligi 1 mm dan oshmaydigan ingichka bo'laklarga kesish.
Ko'p chiziqli kesish sxematik diagrammasi
Kelajakda karbonlashtirilgan kremniy gofretlarining o'lchamlari oshishi bilan materiallardan foydalanish talablari oshadi va lazerli kesish va sovuq ajratish kabi texnologiyalar ham asta-sekin qo'llaniladi.
2018 yilda Infineon Siltectra GmbH kompaniyasini sotib oldi, u sovuq kreking deb nomlanuvchi innovatsion jarayonni ishlab chiqdi.
An'anaviy ko'p simli kesish jarayonining 1/4 qismini yo'qotish bilan solishtirganda,sovuq yorilish jarayoni faqat silikon karbid materialining 1/8 qismini yo'qotdi.
Kengaytma
Silikon karbid materiali to'g'ridan-to'g'ri substratda quvvat moslamalarini qila olmasligi sababli, kengaytma qatlamida turli xil qurilmalar talab qilinadi.
Shuning uchun, substratni ishlab chiqarish tugallangandan so'ng, kengaytirish jarayoni orqali substratda o'ziga xos bir kristalli yupqa plyonka o'stiriladi.
Hozirgi vaqtda kimyoviy gazni joylashtirish usuli (CVD) asosan qo'llaniladi.
Dizayn
Substrat tayyorlangandan so'ng, u mahsulotni loyihalash bosqichiga kiradi.
MOSFET uchun dizayn jarayonining diqqat markazida truba dizayni,bir tomondan patentning buzilishiga yo'l qo'ymaslik uchun(Infineon, Rohm, ST va boshqalar patent tartibiga ega) va boshqa tomondanishlab chiqarish va ishlab chiqarish xarajatlarini qondirish.
Gofret ishlab chiqarish
Mahsulot dizayni tugagandan so'ng, gofret ishlab chiqarish bosqichiga o'tadi,va jarayon taxminan kremniyga o'xshaydi, bu asosan quyidagi 5 bosqichga ega.
☆1-qadam: Niqobni AOK qiling
Kremniy oksidi (SiO2) plyonkasi qatlami hosil bo'ladi, fotorezist qoplanadi, fotorezist naqsh gomogenizatsiya, ta'sir qilish, rivojlanish va hokazo bosqichlari orqali hosil bo'ladi va rasm oksidlanish jarayoni orqali oksid plyonkasiga o'tkaziladi.
☆2-bosqich: Ion implantatsiyasi
Niqoblangan kremniy karbid gofreti ion implantatoriga joylashtiriladi, u erda alyuminiy ionlari P tipidagi doping zonasini hosil qilish uchun AOK qilinadi va implantatsiya qilingan alyuminiy ionlarini faollashtirish uchun tavlanadi.
Oksid plyonkasi chiqariladi, azot ionlari drenaj va manbaning N tipidagi o'tkazuvchan hududini hosil qilish uchun P-tipli doping hududining ma'lum bir hududiga AOK qilinadi va implantatsiya qilingan azot ionlari ularni faollashtirish uchun tavlanadi.
☆3-qadam: To'rni yarating
To'rni yarating.Manba va drenaj o'rtasidagi maydonda eshik oksidi qatlami yuqori haroratli oksidlanish jarayoni bilan tayyorlanadi va eshik elektrod qatlami eshikni boshqarish strukturasini hosil qilish uchun yotqiziladi.
☆4-qadam: Passivatsiya qatlamlarini yaratish
Passivatsiya qatlami yaratiladi.Elektrodlararo buzilishning oldini olish uchun yaxshi izolyatsiyalash xususiyatlariga ega bo'lgan passivatsiya qatlamini joylashtiring.
☆5-qadam: Drenaj manbai elektrodlarini yarating
Drenaj va manba qiling.Passivatsiya qatlami teshilgan va drenaj va manba hosil qilish uchun metall sepiladi.
Fotosurat manbasi: Xinxi Capital
Jarayon darajasi va silikon asosidagi o'rtasida kam farq bo'lsa-da, silikon karbid materiallarining xususiyatlari tufayli,ion implantatsiyasi va tavlanish yuqori haroratli muhitda amalga oshirilishi kerak(1600 ° C gacha), yuqori harorat materialning panjara tuzilishiga ta'sir qiladi va qiyinchilik ham hosilga ta'sir qiladi.
Bundan tashqari, MOSFET komponentlari uchun,darvoza kislorodining sifati to'g'ridan-to'g'ri kanal harakatchanligi va eshik ishonchliligiga ta'sir qiladi, chunki kremniy karbid materialida ikki xil kremniy va uglerod atomlari mavjud.
Shuning uchun, maxsus eshik o'rta o'sish usuli talab qilinadi (yana bir nuqta kremniy karbid varag'i shaffof, va fotolitografiya bosqichida joylashishni hizalama kremniy uchun qiyin).
Gofret ishlab chiqarish tugagandan so'ng, individual chip yalang'och chipga kesiladi va maqsadga muvofiq qadoqlanishi mumkin.Diskret qurilmalar uchun umumiy jarayon TO paketidir.
TO-247 paketidagi 650V CoolSiC™ MOSFETlar
Foto: Infineon
Avtomobil sohasi yuqori quvvat va issiqlik tarqalishi talablariga ega va ba'zida to'g'ridan-to'g'ri ko'prik davrlarini qurish kerak (yarim ko'prik yoki to'liq ko'prik yoki to'g'ridan-to'g'ri diodlar bilan o'ralgan).
Shuning uchun u ko'pincha modullar yoki tizimlarga to'g'ridan-to'g'ri paketlanadi.Bitta modulda qadoqlangan chiplar soniga ko'ra, umumiy shakl 1 dan 1 (BorgWarner), 6 dan 1 (Infineon) va boshqalar, ba'zi kompaniyalar esa bitta quvurli parallel sxemadan foydalanadilar.
Borgwarner Viper
Ikki tomonlama suv sovutish va SiC-MOSFETni qo'llab-quvvatlaydi
Infineon CoolSiC™ MOSFET modullari
Silikondan farqli o'laroq,silikon karbid modullari yuqori haroratda, taxminan 200 ° C da ishlaydi.
An'anaviy yumshoq lehim harorati erish nuqtasi harorati past, harorat talablariga javob bera olmaydi.Shuning uchun, silikon karbid modullari ko'pincha past haroratli kumush sinterlash payvandlash jarayonidan foydalanadi.
Modul tugagandan so'ng, uni qismlar tizimiga qo'llash mumkin.
Tesla Model3 motor boshqaruvchisi
Yalang'och chip ST, o'z-o'zidan ishlab chiqilgan paket va elektr haydovchi tizimidan keladi
☆02 SiC ni qo'llash holati?
Avtomobil sohasida elektr qurilmalari asosan ishlatiladiDCDC, OBC, motor invertorlari, elektr konditsioner invertorlari, simsiz zaryadlash va boshqa qismlarAC/DC tez konvertatsiya qilishni talab qiladi (DCDC asosan tez o'zgartirish vazifasini bajaradi).
Surat: BorgWarner
Kremniy asosidagi materiallar bilan solishtirganda, SIC materiallari yuqoriroqmuhim ko'chki parchalanish maydon kuchi(3×106V/sm),yaxshi issiqlik o'tkazuvchanligi(49Vt/mK) vakengroq tarmoqli bo'shlig'i(3,26eV).
Tarmoq oralig'i qanchalik keng bo'lsa, oqish oqimi qanchalik kichik bo'lsa va samaradorlik shunchalik yuqori bo'ladi.Issiqlik o'tkazuvchanligi qanchalik yaxshi bo'lsa, oqim zichligi shunchalik yuqori bo'ladi.Kritik ko'chki parchalanish maydoni qanchalik kuchli bo'lsa, qurilmaning kuchlanish qarshiligini yaxshilash mumkin.
Shu sababli, mavjud kremniyga asoslangan IGBT va FRD kombinatsiyasini almashtirish uchun kremniy karbid materiallaridan tayyorlangan MOSFET va SBD bortdagi yuqori kuchlanish sohasida quvvat va samaradorlikni samarali oshirishi mumkin,ayniqsa, kommutatsiya yo'qotishlarini kamaytirish uchun yuqori chastotali dastur stsenariylarida.
Hozirgi vaqtda motor inverterlarida, keyin OBC va DCDCda keng ko'lamli ilovalarga erishish ehtimoli katta.
800V kuchlanishli platforma
800V kuchlanishli platformada yuqori chastotaning afzalligi korxonalarni SiC-MOSFET yechimini tanlashga ko'proq moyil qiladi.Shuning uchun, hozirgi 800V elektron boshqaruv rejalashtirishning ko'pchiligi SiC-MOSFET.
Platforma darajasidagi rejalashtirish o'z ichiga oladizamonaviy E-GMP, GM Otenergy - pikap maydoni, Porsche PPE va Tesla EPA.SiC-MOSFET (birinchi model silika asosidagi IGBT) ni aniq ko'tarmaydigan Porsche PPE platformasi modellaridan tashqari, boshqa avtomobil platformalari SiC-MOSFET sxemalarini qabul qiladi.
Universal Ultra energiya platformasi
800V modelni rejalashtirish ko'proq,Great Wall Salon brendi Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI versiyasi, ideal avtomobil S01 va W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11, BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen shuningdek, tadqiqotda 800V texnologiyasidan tashqari, 800V platformasini olib borishini aytdi.
Tier1 yetkazib beruvchilari tomonidan olingan 800V buyurtmalar holatidan,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics va Huichuanbarcha e'lon qilingan 800V elektr haydovchi buyurtmalar.
400V kuchlanishli platforma
400V kuchlanish platformasida SiC-MOSFET asosan yuqori quvvat va quvvat zichligi va yuqori samaradorlikni hisobga oladi.
Hozirda ommaviy ishlab chiqarilgan Tesla Model 3\Y dvigateli kabi, BYD Hanhou dvigatelining eng yuqori quvvati taxminan 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO ham ET7 dan boshlab SiC-MOSFET mahsulotlarini ishlatadi. va keyinroq sanab o'tiladigan ET5.Maksimal quvvat 240Kw (ET5 210Kw).
Bundan tashqari, yuqori samaradorlik nuqtai nazaridan, ba'zi korxonalar SiC-MOSFET mahsulotlarini yordamchi suv bosishining maqsadga muvofiqligini o'rganmoqdalar.
Xabar vaqti: 2023 yil 08-iyul