Silikon bazlı güç yarı iletkenleriyle karşılaştırıldığında, SiC (silisyum karbür) güç yarı iletkenleri anahtarlama frekansı, kayıp, ısı dağılımı, minyatürleştirme vb. konularda önemli avantajlara sahiptir.
Tesla'nın silisyum karbür invertörlerin büyük ölçekli üretimiyle birlikte, daha fazla şirket silisyum karbür ürünlerini de piyasaya sürmeye başladı.
SiC o kadar "şaşırtıcı" ki, nasıl yapıldı?Şimdiki uygulamalar neler?Görelim!
01 ☆ SiC'nin Doğuşu
Diğer güç yarı iletkenleri gibi SiC-MOSFET endüstri zinciri de şunları içerir:uzun kristal – substrat – epitaksi – tasarım – üretim – paketleme bağlantısı.
Uzun kristal
Uzun kristal bağlantısı sırasında, tek kristal silikon tarafından kullanılan 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) kullanır. ) takviyeleri.
☆ Temel adım
1. Karbonik katı hammadde;
2. Isıtmadan sonra karbür katı gaz haline gelir;
3. Gaz tohum kristalinin yüzeyine doğru hareket eder;
4. Tohum kristalin yüzeyinde gaz büyüyerek bir kristale dönüşür.
Resim kaynağı: "PVT büyütülmüş silisyum karbürün sökülmesine yönelik Teknik Nokta"
Farklı işçilik, silikon tabana göre iki büyük dezavantaja neden olmuştur:
Birincisi üretim zor ve verim düşük.Karbon bazlı gaz fazının sıcaklığı 2300°C'nin üzerine çıkar ve basınç 350MPa olur.Karanlık kutunun tamamı gerçekleştirilir ve yabancı maddelere karışması kolaydır.Verim silikon bazından daha düşüktür.Çap ne kadar büyük olursa verim o kadar düşük olur.
İkincisi ise yavaş büyüme.PVT yönteminin yönetimi çok yavaştır, hız yaklaşık 0,3-0,5 mm/saattir ve 7 günde 2 cm büyüyebilir.Maksimum yalnızca 3-5 cm büyüyebilir ve kristal külçenin çapı çoğunlukla 4 inç ve 6 inçtir.
Silikon bazlı 72H, çapı çoğunlukla 6 inç ve 8 inçlik yeni üretim kapasitesiyle 2-3 m yüksekliğe kadar büyüyebiliyor.Bu nedenle, silisyum karbür genellikle kristal külçe olarak adlandırılır ve silisyum, kristal bir çubuk haline gelir.
Karbür silikon kristal külçeler
Yüzey
Uzun kristal tamamlandıktan sonra substratın üretim sürecine girer.
Hedeflenen kesme, taşlama (kaba taşlama, ince taşlama), parlatma (mekanik parlatma), ultra hassas parlatma (kimyasal mekanik parlatma) sonrasında silisyum karbür alt tabaka elde edilir.
Substrat esas olarak oynuyorfiziksel desteğin rolü, termal iletkenlik ve iletkenlik.İşlemenin zorluğu, silisyum karbür malzemenin yüksek, gevrek ve kimyasal özelliklerin stabil olmasıdır.Bu nedenle geleneksel silisyum bazlı işleme yöntemleri silisyum karbür substrat için uygun değildir.
Kesme etkisinin kalitesi silisyum karbür ürünlerinin performansını ve kullanım verimliliğini (maliyetini) doğrudan etkiler, bu nedenle küçük, eşit kalınlıkta ve düşük kesmeli olması gerekir.
Şu anda,4 inç ve 6 inç esas olarak çok hatlı kesme ekipmanı kullanır,silikon kristallerinin kalınlığı 1 mm'yi geçmeyen ince dilimler halinde kesilmesi.
Çok hatlı kesme şematik diyagramı
Gelecekte, karbonize silikon plakaların boyutlarının artmasıyla birlikte malzeme kullanım gereksinimleri de artacak ve lazer dilimleme, soğuk ayırma gibi teknolojiler de kademeli olarak uygulanacaktır.
2018 yılında Infineon, soğuk kırma olarak bilinen yenilikçi bir süreç geliştiren Siltectra GmbH'yi satın aldı.
Geleneksel çok telli kesme işleminde 1/4 kayıpla karşılaştırıldığında,soğuk kırma işlemi silisyum karbür malzemenin yalnızca 1/8'ini kaybetti.
Eklenti
Silisyum karbür malzeme doğrudan alt tabaka üzerinde güç aygıtları oluşturamadığından, uzatma katmanında çeşitli aygıtlara ihtiyaç duyulur.
Bu nedenle, substratın üretimi tamamlandıktan sonra, uzatma işlemi yoluyla substrat üzerinde spesifik bir tek kristal ince film büyütülür.
Şu anda, esas olarak kimyasal gaz biriktirme yöntemi (CVD) işlemi kullanılmaktadır.
Tasarım
Substrat yapıldıktan sonra ürün tasarım aşamasına geçilir.
MOSFET için tasarım sürecinin odak noktası oluğun tasarımıdır.bir yandan patent ihlallerini önlemek için(Infineon, Rohm, ST, vb. patent düzenine sahiptir) ve diğer taraftanüretilebilirlik ve üretim maliyetlerini karşılar.
Gofret imalatı
Ürün tasarımı tamamlandıktan sonra gofret imalat aşamasına geçilir,ve süreç kabaca silikonunkine benzer ve esas olarak aşağıdaki 5 adımdan oluşur.
☆Adım 1: Maskeyi enjekte edin
Bir silikon oksit (SiO2) filmi tabakası yapılır, fotorezist kaplanır, homojenleştirme, pozlama, geliştirme vb. adımlarla fotorezist deseni oluşturulur ve şekil, dağlama işlemi yoluyla oksit filme aktarılır.
☆Adım 2: İyon implantasyonu
Maskelenmiş silisyum karbür levha, bir P tipi doping bölgesi oluşturmak için alüminyum iyonlarının enjekte edildiği ve implante edilen alüminyum iyonlarını aktive etmek için tavlandığı bir iyon implanterine yerleştirilir.
Oksit filmi çıkarılır, drenaj ve kaynağın N tipi iletken bölgesini oluşturmak için P tipi doping bölgesinin belirli bir bölgesine nitrojen iyonları enjekte edilir ve implante edilen nitrojen iyonları, bunları aktive etmek için tavlanır.
☆Adım 3: Izgarayı oluşturun
Izgarayı yapın.Kaynak ve drenaj arasındaki alanda, geçit oksit tabakası yüksek sıcaklıkta oksidasyon işlemiyle hazırlanır ve geçit kontrol yapısını oluşturmak için geçit elektrot tabakası biriktirilir.
☆Adım 4: Pasivasyon katmanlarının oluşturulması
Pasivasyon katmanı yapılır.Elektrotlar arası bozulmayı önlemek için iyi yalıtım özelliklerine sahip bir pasivasyon tabakası bırakın.
☆Adım 5: Drenaj kaynağı elektrotları yapın
Drenaj ve kaynak yapın.Pasivasyon katmanı delinir ve bir drenaj ve bir kaynak oluşturacak şekilde metal püskürtülür.
Fotoğraf Kaynağı: Xinxi Başkenti
Silisyum karbür malzemelerin özelliklerinden dolayı proses seviyesi ile silisyum esaslı arasında çok az fark olmasına rağmen,iyon implantasyonu ve tavlamanın yüksek sıcaklıktaki bir ortamda yapılması gerekir(1600 ° C'ye kadar), yüksek sıcaklık malzemenin kendisinin kafes yapısını etkileyecektir ve zorluk aynı zamanda verimi de etkileyecektir.
Ayrıca MOSFET bileşenleri içinKapı oksijeninin kalitesi kanal hareketliliğini ve kapı güvenilirliğini doğrudan etkilerÇünkü silisyum karbür malzemede iki çeşit silisyum ve karbon atomu vardır.
Bu nedenle, özel bir geçit ortamı büyütme yöntemi gereklidir (başka bir nokta da silikon karbür levhanın şeffaf olması ve fotolitografi aşamasında konum hizalamasının silikonlanmasının zor olmasıdır).
Gofret üretimi tamamlandıktan sonra bireysel çip çıplak çip halinde kesilir ve amacına göre paketlenebilir.Ayrı cihazlar için ortak süreç, paketlemektir.
TO-247 paketinde 650V CoolSiC™ MOSFET'ler
Fotoğraf: “Infineon”
Otomotiv alanının yüksek güç ve ısı dağılımı gereksinimleri vardır ve bazen doğrudan köprü devreleri (yarım köprü veya tam köprü veya doğrudan diyotlarla paketlenmiş) oluşturmak gerekir.
Bu nedenle sıklıkla doğrudan modüller veya sistemler halinde paketlenir.Tek bir modülde paketlenmiş çip sayısına göre, ortak form 1'de 1 (BorgWarner), 6'da 1 (Infineon) vb.'dir ve bazı şirketler tek tüplü paralel şema kullanır.
Borgwarner Engereği
Çift taraflı su soğutmayı ve SiC-MOSFET'i destekler
Infineon CoolSiC™ MOSFET modülleri
Silikondan farklı olaraksilisyum karbür modüller yaklaşık 200 ° C gibi daha yüksek bir sıcaklıkta çalışır.
Geleneksel yumuşak lehim sıcaklığı erime noktası sıcaklığı düşüktür, sıcaklık gereksinimlerini karşılayamaz.Bu nedenle silisyum karbür modüller genellikle düşük sıcaklıkta gümüş sinterleme kaynak işlemini kullanır.
Modül tamamlandıktan sonra parça sistemine uygulanabilir.
Tesla Model3 motor kontrolörü
Çıplak çip ST'den, kendi geliştirdiğimiz paketten ve elektrikli tahrik sisteminden geliyor
☆02 SiC'nin uygulama durumu?
Otomotiv alanında, güç cihazları çoğunluklaDCDC, OBC, motor invertörleri, elektrikli klima invertörleri, kablosuz şarj ve diğer parçalarAC/DC hızlı dönüşüm gerektiren (DCDC esas olarak hızlı bir anahtar görevi görür).
Fotoğraf: “BorgWarner”
Silikon bazlı malzemelerle karşılaştırıldığında SIC malzemeleri daha yüksekkritik çığ dökümü alan gücü(3×106V/cm),daha iyi termal iletkenlik(49W/mK) vedaha geniş bant aralığı(3.26eV).
Bant aralığı ne kadar geniş olursa, kaçak akım o kadar küçük ve verimlilik de o kadar yüksek olur.Isı iletkenliği ne kadar iyi olursa akım yoğunluğu da o kadar yüksek olur.Kritik çığ kırılma alanı ne kadar güçlü olursa cihazın voltaj direnci geliştirilebilir.
Bu nedenle, yerleşik yüksek voltaj alanında, mevcut silikon bazlı IGBT ve FRD kombinasyonunun yerini almak üzere silikon karbür malzemelerle hazırlanan MOSFET'ler ve SBD, güç ve verimliliği etkili bir şekilde artırabilir,özellikle yüksek frekanslı uygulama senaryolarında anahtarlama kayıplarını azaltmak için.
Şu anda motor invertörlerinde büyük ölçekli uygulamalara ulaşılması muhtemeldir, bunu OBC ve DCDC takip etmektedir.
800V gerilim platformu
800V gerilim platformunda yüksek frekansın avantajı, işletmelerin SiC-MOSFET çözümünü seçmeye daha yatkın olmasını sağlıyor.Bu nedenle mevcut 800V elektronik kontrol planlamasının çoğu SiC-MOSFET'tir.
Platform düzeyinde planlama şunları içerir:modern E-GMP, GM Otenergy – pikap alanı, Porsche KKD ve Tesla EPA.SiC-MOSFET'i açıkça taşımayan (ilk model silika bazlı IGBT'dir) Porsche KKD platform modelleri hariç, diğer araç platformları SiC-MOSFET şemalarını benimser.
Evrensel Ultra enerji platformu
800V model planlaması daha fazladır,Çin Seddi Salon markası Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI versiyonu, ideal araba S01 ve W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11'in 800V platformu taşıyacağını söyleyen firmanın yanı sıra BYD, Lantu, GAC'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen'de de 800V teknolojisinin araştırıldığı belirtildi.
Tier1 tedarikçilerinin aldığı 800V siparişlerin durumundan,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics ve Huichuanhepsi 800V elektrikli tahrik siparişlerini duyurdu.
400V gerilim platformu
400V gerilim platformunda SiC-MOSFET esas olarak yüksek güç ve güç yoğunluğu ve yüksek verim göz önünde bulundurulmaktadır.
Şu anda seri üretilen Tesla Model 3\Y motoru gibi, BYD Hanhou motorunun tepe gücü yaklaşık 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO ayrıca ET7'den başlayarak SiC-MOSFET ürünlerini de kullanacak. ve daha sonra listelenecek olan ET5.Tepe gücü 240Kw'dır (ET5 210Kw).
Ayrıca yüksek verimlilik açısından bazı işletmeler yardımcı taşma SiC-MOSFET ürünlerinin fizibilitesini de araştırmaktadır.
Gönderim zamanı: Temmuz-08-2023