Silisyum esaslı güç yarı iletkenleriyle karşılaştırıldığında, SiC (silisyum karbür) güç yarı iletkenleri anahtarlama frekansı, kayıp, ısı dağılımı, minyatürleştirme vb. açılardan önemli avantajlara sahiptir.
Tesla'nın silisyum karbür invertörlerini büyük ölçekte üretmeye başlamasıyla birlikte daha fazla şirket de silisyum karbür ürünleri üretmeye başladı.
SiC o kadar "inanılmaz" ki, nasıl üretildi? Günümüzdeki uygulamaları neler? Bakalım!
01 ☆ Bir SiC'nin Doğuşu
Diğer güç yarı iletkenleri gibi, SiC-MOSFET endüstri zinciri şunları içerir:uzun kristal – substrat – epitaksi – tasarım – üretim – paketleme bağlantısı.
Uzun kristal
Uzun kristal bağlantısı sırasında, tek kristal silisyumun kullandığı Tira yönteminin hazırlanmasından farklı olarak, silisyum karbür esas olarak fiziksel gaz taşıma yöntemini (PVT, aynı zamanda geliştirilmiş Lly veya tohum kristal süblimasyon yöntemi olarak da bilinir), yüksek sıcaklıkta kimyasal gaz biriktirme yöntemini (HTCVD) takviyeleri benimser.
☆ Çekirdek adım
1. Karbonik katı hammadde;
2. Isıtıldıktan sonra karbür katısı gaz haline gelir;
3. Gaz, tohum kristalinin yüzeyine doğru hareket eder;
4. Tohum kristalinin yüzeyindeki gaz, kristale dönüşür.
Resim kaynağı: “PVT büyüme silisyum karbürünün sökülmesine ilişkin teknik nokta”
Farklı işçilik, silikon tabana göre iki büyük dezavantaja yol açmıştır:
Birincisi üretimi zor, verimi düşük.Karbon bazlı gaz fazının sıcaklığı 2300°C'nin üzerine çıkar ve basıncı 350MPa'dır. Koyu renkli kutunun tamamı taşınır ve yabancı maddelerle karışması kolaydır. Verim, silikon bazlı olandan daha düşüktür. Çap ne kadar büyükse, verim o kadar düşük olur.
İkincisi yavaş büyüme.PVT yönteminin yönetimi oldukça yavaştır, hızı yaklaşık 0,3-0,5 mm/saattir ve 7 günde 2 cm büyüyebilir. Maksimum 3-5 cm büyüyebilir ve kristal külçenin çapı genellikle 4 inç ve 6 inçtir.
Silikon bazlı 72H, 2-3 metre yüksekliğe kadar büyüyebiliyor, çapları çoğunlukla 6 inç ve 8 inçlik yeni üretim kapasitesi ise 12 inç.Bu nedenle silisyum karbür genellikle kristal külçe olarak adlandırılır ve silisyum kristal çubuk haline gelir.
Karbür silikon kristal külçeleri
Alt tabaka
Uzun kristal tamamlandıktan sonra substrat üretim sürecine girilir.
Hedeflenen kesme, taşlama (kaba taşlama, ince taşlama), parlatma (mekanik parlatma), ultra hassas parlatma (kimyasal mekanik parlatma) işlemlerinden sonra silisyum karbür alttaş elde edilir.
Alt tabaka esas olarak oynarfiziksel destek, ısıl iletkenlik ve iletkenliğin rolü.İşleme zorluğu, silisyum karbür malzemesinin yüksek, gevrek ve kimyasal özelliklerinin kararlı olmasıdır. Bu nedenle, geleneksel silisyum bazlı işleme yöntemleri silisyum karbür alt tabaka için uygun değildir.
Kesme etkisinin kalitesi silisyum karbür ürünlerinin performansını ve kullanım verimliliğini (maliyetini) doğrudan etkilediğinden küçük, homojen kalınlıkta ve düşük kesme gücüne sahip olması gerekmektedir.
Şu anda,4 inç ve 6 inç esas olarak çok hatlı kesme ekipmanı kullanır,Silisyum kristallerinin kalınlığı en fazla 1mm olan ince dilimler halinde kesilmesi.
Çok hatlı kesme şematik diyagramı
Gelecekte karbonize silisyum gofretlerin boyutlarının artmasıyla birlikte malzeme kullanım gereksinimleri de artacak ve lazer dilimleme, soğuk ayırma gibi teknolojiler de giderek uygulamaya konulacaktır.
Infineon, 2018 yılında soğuk kraking olarak bilinen yenilikçi bir süreç geliştiren Siltectra GmbH'yi satın aldı.
Geleneksel çok telli kesme işlemiyle karşılaştırıldığında 1/4'lük bir kayıp,Soğuk kırma işlemi silisyum karbür malzemesinin sadece 1/8'ini kaybetti.
Eklenti
Silisyum karbür malzemesi alt tabaka üzerinde doğrudan güç aygıtları oluşturamadığından, uzatma katmanında çeşitli aygıtlara ihtiyaç duyulmaktadır.
Bu nedenle, alt tabakanın üretimi tamamlandıktan sonra, uzatma işlemi ile alt tabaka üzerine belirli bir tek kristal ince film büyütülür.
Günümüzde ağırlıklı olarak kimyasal gaz biriktirme yöntemi (CVD) prosesi kullanılmaktadır.
Tasarım
Alt tabaka oluşturulduktan sonra ürün tasarım aşamasına geçilir.
MOSFET için tasarım sürecinin odak noktası oluğun tasarımıdır,bir yandan patent ihlallerini önlemek için(Infineon, Rohm, ST, vb. patentli düzene sahiptir) ve diğer yandanüretilebilirlik ve imalat maliyetlerini karşılamak.
Wafer imalatı
Ürün tasarımı tamamlandıktan sonra gofret üretim aşamasına geçilir,ve süreç silikonunkine benzerdir, esas olarak aşağıdaki 5 adımdan oluşur.
☆Adım 1: Maskeyi enjekte edin
Silisyum oksit (SiO2) film tabakası oluşturulur, fotorezist kaplanır, homojenizasyon, pozlama, geliştirme vb. adımlarla fotorezist deseni oluşturulur ve şekil aşındırma işlemiyle oksit filme aktarılır.
☆Adım 2: İyon implantasyonu
Maskelenmiş silisyum karbür gofret, alüminyum iyonlarının P tipi katkılama bölgesi oluşturmak üzere enjekte edildiği ve implante edilen alüminyum iyonlarını aktive etmek için tavlandığı bir iyon implanterine yerleştirilir.
Oksit film kaldırılır, azot iyonları P-tipi katkılama bölgesinin belirli bir bölgesine enjekte edilerek drenaj ve kaynağın N-tipi iletken bölgesi oluşturulur ve yerleştirilen azot iyonları tavlanarak aktive edilir.
☆Adım 3: Izgarayı yapın
Izgarayı oluşturun. Kaynak ve drenaj arasındaki alanda, yüksek sıcaklıkta oksidasyon işlemiyle geçit oksit tabakası hazırlanır ve geçit elektrot tabakası biriktirilerek geçit kontrol yapısı oluşturulur.
☆Adım 4: Pasivasyon katmanlarının oluşturulması
Pasivasyon tabakası oluşturulur. Elektrotlar arası bozulmayı önlemek için iyi yalıtım özelliklerine sahip bir pasivasyon tabakası biriktirilir.
☆Adım 5: Drenaj kaynağı elektrotlarını yapın
Drenaj ve kaynak oluşturun. Pasivasyon tabakası delinir ve metal püskürtülerek bir drenaj ve bir kaynak oluşturulur.
Fotoğraf Kaynağı: Xinxi Başkenti
Silisyum karbür malzemelerin özellikleri nedeniyle, proses seviyesi ile silisyum bazlı arasında çok az fark olmasına rağmen,iyon implantasyonu ve tavlamanın yüksek sıcaklık ortamında gerçekleştirilmesi gerekir(1600°C'ye kadar) yüksek sıcaklık malzemenin kendi kafes yapısını etkileyeceği gibi zorluk da verimi etkileyecektir.
Ayrıca MOSFET bileşenleri için,Kapı oksijeninin kalitesi doğrudan kanal hareketliliğini ve kapı güvenilirliğini etkilerÇünkü silisyum karbür malzemesinde iki çeşit silisyum ve karbon atomu bulunmaktadır.
Bu nedenle özel bir geçit ortamı büyütme yöntemine ihtiyaç duyulmaktadır (bir diğer husus ise silisyum karbür levhanın şeffaf olması ve fotolitografi aşamasında pozisyon hizalamasının silisyum açısından zor olmasıdır).
Gofret üretimi tamamlandıktan sonra, tek tek çipler çıplak çip haline getirilerek amaca uygun şekilde paketlenebilir. Ayrık cihazlar için yaygın işlem, TO paketlemedir.
TO-247 paketinde 650V CoolSiC™ MOSFET'ler
Fotoğraf: Infineon
Otomotiv sektörü yüksek güç ve ısı dağılımı gereksinimlerine sahiptir ve bazen doğrudan köprü devreleri (yarım köprü veya tam köprü veya doğrudan diyotlarla paketlenmiş) oluşturmak gerekir.
Bu nedenle, genellikle doğrudan modüller veya sistemler halinde paketlenir. Tek bir modülde paketlenen çip sayısına göre yaygın form 1'de 1 (BorgWarner), 6'da 1 (Infineon) vb. şeklindedir ve bazı şirketler tek tüplü paralel şema kullanır.
Borgwarner Engerek
Çift taraflı su soğutmayı ve SiC-MOSFET'i destekler
Infineon CoolSiC™ MOSFET modülleri
Silisyumun aksine,Silisyum karbür modülleri daha yüksek bir sıcaklıkta, yaklaşık 200 °C'de çalışır.
Geleneksel yumuşak lehimlerin erime noktası düşüktür ve sıcaklık gereksinimlerini karşılayamaz. Bu nedenle, silisyum karbür modüller genellikle düşük sıcaklıkta gümüş sinterleme kaynak işlemi kullanır.
Modül tamamlandıktan sonra parça sistemine uygulanabilir.
Tesla Model3 motor kontrolörü
Çıplak çip ST'den geliyor, kendi geliştirdiği paket ve elektrikli tahrik sistemi
☆02 SiC'nin uygulama durumu nedir?
Otomotiv alanında güç cihazları ağırlıklı olarak şu şekilde kullanılır:DCDC, OBC, motor invertörleri, elektrikli klima invertörleri, kablosuz şarj ve diğer parçalarAC/DC hızlı dönüşümü gerektiren (DCDC esas olarak hızlı anahtarlama görevi görür).
Fotoğraf: BorgWarner
Silisyum bazlı malzemelerle karşılaştırıldığında, SIC malzemeleri daha yüksekkritik çığ arıza saha gücü(3×106V/cm),daha iyi ısı iletkenliği(49W/mK) vedaha geniş bant aralığı(3,26 eV).
Bant aralığı ne kadar genişse, kaçak akım o kadar küçük ve verimlilik o kadar yüksek olur. Isıl iletkenlik ne kadar iyiyse, akım yoğunluğu da o kadar yüksek olur. Kritik çığ kırılma alanı ne kadar güçlüyse, cihazın gerilim direnci o kadar iyileştirilebilir.
Bu nedenle, yerleşik yüksek gerilim alanında, mevcut silikon bazlı IGBT ve FRD kombinasyonunun yerini alacak şekilde silikon karbür malzemelerden hazırlanan MOSFET'ler ve SBD'ler, güç ve verimliliği etkili bir şekilde artırabilir.özellikle yüksek frekanslı uygulama senaryolarında anahtarlama kayıplarını azaltmak için.
Şu anda büyük ölçekli uygulamalara en çok motor invertörlerinde ulaşılması muhtemel olup, bunu OBC ve DCDC takip etmektedir.
800V voltaj platformu
800V voltaj platformunda, yüksek frekans avantajı, işletmelerin SiC-MOSFET çözümlerini tercih etme olasılığını artırıyor. Bu nedenle, mevcut 800V elektronik kontrol sistemlerinin çoğu SiC-MOSFET'i tercih ediyor.
Platform düzeyinde planlama şunları içerir:modern E-GMP, GM Otenergy – pikap alanı, Porsche KKD ve Tesla EPA.SiC-MOSFET'i açıkça taşımayan Porsche PPE platform modelleri hariç (ilk model silika bazlı IGBT'dir), diğer araç platformları SiC-MOSFET şemalarını benimser.
Evrensel Ultra enerji platformu
800V model planlaması daha fazladır,Great Wall Salon markası Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI versiyonu, ideal araba S01 ve W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11'in 800V platformunu taşıyacağını söyleyen firma, BYD, Lantu, GAC'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag'ın yanı sıra Volkswagen'in de araştırmalarında 800V teknolojisini kullanacağını söyledi.
1. Kademe tedarikçiler tarafından alınan 800V siparişlerinin durumundan,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics ve Huichuanduyurulan tüm 800V elektrikli tahrik siparişleri.
400V voltaj platformu
400V gerilim platformunda SiC-MOSFET'ler yüksek güç ve güç yoğunluğu ile yüksek verimlilik göz önünde bulundurularak tercih edilmektedir.
Şu anda seri üretimi yapılan Tesla Model 3\Y motoru gibi, BYD Hanhou motorunun tepe gücü yaklaşık 200 kW'tır (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW), NIO ayrıca ET7 ve daha sonra listelenecek ET5'ten başlayarak SiC-MOSFET ürünlerini kullanacaktır. Tepe gücü 240 kW'tır (ET5 210 kW).
Ayrıca, yüksek verimlilik perspektifinden bakıldığında bazı işletmeler yardımcı taşmalı SiC-MOSFET ürünlerinin uygulanabilirliğini de araştırmaktadır.
Gönderi zamanı: 08 Temmuz 2023
