Кремний негізіндегі күшті жартылай өткізгіштермен салыстырғанда, SiC (кремний карбиді) күшті жартылай өткізгіштер коммутация жиілігінде, жоғалтуында, жылуды бөлуде, миниатюризацияда және т.б. айтарлықтай артықшылықтарға ие.
Tesla кремний карбидінің инверторларының кең ауқымды өндірісімен көптеген компаниялар кремний карбиді өнімдерін шығара бастады.
SiC соншалықты «ғажайып», ол қалай жасалды? Қазір қандай қолданбалар бар? Көрейік!
01 ☆ SiC туылуы
Басқа қуатты жартылай өткізгіштер сияқты, SiC-MOSFET өнеркәсіп тізбегі кіредіұзын кристалл – субстрат – эпитаксия – дизайн – өндіру – орау сілтемесі.
Ұзын кристал
Ұзын кристалды байланыс кезінде, монокристалды кремний қолданатын Тира әдісін дайындаудан айырмашылығы, кремний карбиді негізінен физикалық газ тасымалдау әдісін (PVT, сонымен қатар жақсартылған Lly немесе тұқымдық кристалды сублимация әдісі ретінде белгілі), жоғары температурада химиялық газды тұндыру әдісін (HTCVD) қолданады. ) толықтырулар.
☆ Негізгі қадам
1. Көміртекті қатты шикізат;
2. Қыздырғаннан кейін қатты карбид газға айналады;
3. Газдың тұқымдық кристалдың бетіне жылжуы;
4. Тұқымдық кристалдың бетінде газ өсіп, кристалға айналады.
Сурет көзі: «ПВТ өсетін кремний карбидін бөлшектеуге арналған техникалық нүкте»
Әртүрлі шеберлік кремний негізімен салыстырғанда екі үлкен кемшіліктерді тудырды:
Біріншіден, өндіріс қиын, өнім аз.Көміртегі негізіндегі газ фазасының температурасы 2300 ° C жоғары өседі және қысым 350 МПа. Бүкіл қараңғы жәшік жүзеге асырылады және ол қоспаларға оңай араласады. Шығымдылық кремний негізіне қарағанда төмен. Диаметрі неғұрлым үлкен болса, өнімділік соғұрлым төмен болады.
Екіншісі - баяу өсу.PVT әдісін басқару өте баяу, жылдамдығы шамамен 0,3-0,5 мм/сағ және ол 7 күнде 2 см өседі. Максимум тек 3-5 см өседі, ал кристалды құйманың диаметрі негізінен 4 дюйм және 6 дюймді құрайды.
Кремний негізіндегі 72H 2-3 м биіктікке дейін өсе алады, диаметрі негізінен 6 дюйм және 12 дюймге арналған 8 дюймдік жаңа өндіріс қуаты бар.Сондықтан кремний карбиді жиі кристалдық құйма деп аталады, ал кремний кристалды таяқшаға айналады.
Карбидті кремний кристалды құймалар
Субстрат
Ұзын кристалл аяқталғаннан кейін ол субстратты өндіру процесіне кіреді.
Мақсатты кесу, тегістеу (дөрекі ұнтақтау, ұсақ тегістеу), жылтырату (механикалық жылтырату), ультра дәлдікпен жылтырату (химиялық механикалық жылтырату) кейін кремний карбиді субстрат алынады.
Негізінен субстрат ойнайдыфизикалық тірек, жылу өткізгіштік және өткізгіштік рөлі.Өңдеудің қиындығы кремний карбиді материалы жоғары, қытырлақ және химиялық қасиеттері бойынша тұрақты. Сондықтан кремний негізіндегі өңдеудің дәстүрлі әдістері кремний карбиді субстратына жарамайды.
Кесу әсерінің сапасы кремний карбиді өнімдерінің өнімділігі мен пайдалану тиімділігіне (құны) тікелей әсер етеді, сондықтан оның шағын, біркелкі қалыңдығы және төмен кесу болуы талап етіледі.
Қазір,4 дюймдік және 6 дюймдік негізінен көп сызықты кесу жабдығын пайдаланады,кремний кристалдарын қалыңдығы 1 мм-ден аспайтын жұқа тілімдерге кесу.
Көп сызықты кесу схемасы
Болашақта көміртекті кремний пластинкаларының өлшемдерінің ұлғаюымен материалды пайдалану талаптары артады, лазерлік кесу және суық бөлу сияқты технологиялар да біртіндеп қолданылады.
2018 жылы Infineon Siltectra GmbH компаниясын сатып алды, ол суық крекинг деп аталатын инновациялық процесті әзірледі.
Дәстүрлі көп сымды кесу процесінің 1/4 жоғалтуымен салыстырғанда,суық крекинг процесі кремний карбиді материалының 1/8 бөлігін ғана жоғалтты.
Кеңейтім
Кремний карбиді материалы тікелей субстратта қуат құрылғыларын жасай алмайтындықтан, ұзартқыш қабатта әртүрлі құрылғылар қажет.
Сондықтан, субстратты өндіру аяқталғаннан кейін, кеңейту процесі арқылы субстратта белгілі бір кристалды жұқа пленка өсіріледі.
Қазіргі уақытта негізінен химиялық газды тұндыру әдісі (CVD) процесі қолданылады.
Дизайн
Субстрат жасалғаннан кейін ол өнімді жобалау кезеңіне өтеді.
MOSFET үшін дизайн процесінің фокусы ойықтың дизайны болып табылады,бір жағынан патентті бұзуды болдырмау(Infineon, Rohm, ST, т.б. патенттік схемасы бар), ал екінші жағынанөндірістік және өндірістік шығындарды қанағаттандыру.
Вафельді өндіру
Өнімнің дизайны аяқталғаннан кейін ол вафельді өндіру кезеңіне кіреді,және процесс негізінен келесі 5 қадамнан тұратын кремнийге ұқсас.
☆1-қадам: масканы енгізіңіз
Кремний оксидінің (SiO2) қабықшасының қабаты жасалады, фоторезистпен қапталады, фоторезисттік үлгі гомогенизация, экспозиция, даму және т.б. қадамдар арқылы қалыптасады және фигураны оксидті қабықшаға офорт арқылы береді.
☆2-қадам: Иондық имплантация
Маскаланған кремний карбиді пластинасы иондық импланттарға орналастырылады, онда алюминий иондары P-типті қоспалау аймағын қалыптастыру үшін енгізіледі және имплантацияланған алюминий иондарын белсендіру үшін жасытады.
Оксидті қабықша жойылады, азот иондары дренаж мен көздің N-типті өткізгіш аймағын қалыптастыру үшін P-типті қоспалау аймағының белгілі бір аймағына енгізіледі, ал имплантацияланған азот иондары оларды белсендіру үшін жасытады.
☆3-қадам: торды жасаңыз
Торды жасаңыз. Көзі мен дренаж арасындағы аймақта қақпа оксидінің қабаты жоғары температуралық тотығу процесі арқылы дайындалады, ал қақпа электродының қабаты қақпаны басқару құрылымын қалыптастыру үшін тұндырылады.
☆4-қадам: пассивация қабаттарын жасау
Пассивация қабаты жасалады. Электродаралық бұзылуды болдырмау үшін жақсы оқшаулау сипаттамалары бар пассивация қабатын салыңыз.
☆5-қадам: ағызу көзі электродтарын жасаңыз
Дренажды және көзді жасаңыз. Пассивация қабаты перфорацияланған және ағынды және көзді қалыптастыру үшін металды шашыратады.
Фото дереккөзі: Синси астанасы
Процесс деңгейі мен кремний негізіндегі арасындағы айырмашылық аз болғанымен, кремний карбиді материалдарының сипаттамаларына байланысты,иондарды имплантациялау және күйдіру жоғары температуралы ортада жүзеге асырылуы керек(1600 ° C дейін), жоғары температура материалдың тор құрылымына әсер етеді, ал қиындық шығымдылыққа да әсер етеді.
Сонымен қатар, MOSFET компоненттері үшін,қақпаның оттегі сапасы арнаның қозғалғыштығына және қақпа сенімділігіне тікелей әсер етеді, өйткені кремний карбиді материалында кремний және көміртек атомдарының екі түрі бар.
Сондықтан арнайы қақпалы орта өсу әдісі қажет (тағы бір мәселе кремний карбиді парағы мөлдір, ал фотолитография сатысында позицияны туралау кремнийге қиын).
Вафельді өндіру аяқталғаннан кейін жеке чип жалаңаш чипке кесіледі және мақсатқа сәйкес оралуы мүмкін. Дискретті құрылғылар үшін жалпы процесс TO пакеті болып табылады.
TO-247 бумасындағы 650 В CoolSiC™ MOSFET
Фото: Infineon
Автокөлік саласында жоғары қуат пен жылуды бөлу талаптары бар, кейде көпір тізбектерін тікелей салу қажет (жартылай көпір немесе толық көпір немесе тікелей диодтармен оралған).
Сондықтан ол көбінесе модульдерге немесе жүйелерге тікелей оралады. Бір модульге оралған чиптер санына сәйкес жалпы пішін 1-де 1 (BorgWarner), 6-да 1 (Infineon) және т.б., ал кейбір компаниялар бір түтік параллельді схеманы пайдаланады.
Borgwarner Viper
Екі жақты суды салқындату және SiC-MOSFET қолдайды
Infineon CoolSiC™ MOSFET модульдері
Кремнийден айырмашылығы,кремний карбиді модульдері жоғарырақ температурада, шамамен 200 ° C жұмыс істейді.
Дәстүрлі жұмсақ дәнекерлеу температурасының балқу температурасы төмен, температура талаптарына жауап бере алмайды. Сондықтан, кремний карбиді модульдері жиі төмен температурада күміс агломерациялау дәнекерлеу процесін пайдаланады.
Модуль аяқталғаннан кейін оны бөлшектер жүйесіне қолдануға болады.
Tesla Model3 мотор контроллері
Жалаңаш чип ST, өздігінен әзірленген пакеттен және электр жетек жүйесінен келеді
☆02 SiC қолдану күйі?
Автокөлік саласында қуат құрылғылары негізінен қолданыладыDCDC, OBC, мотор инверторлары, электр кондиционері инверторлары, сымсыз зарядтау және басқа бөлшектерайнымалы ток/тұрақты ток жылдам түрлендіруді қажет етеді (DCDC негізінен жылдам қосқыш ретінде әрекет етеді).
Фото: BorgWarner
Кремний негізіндегі материалдармен салыстырғанда, SIC материалдары жоғарырақкөшкіннің сыни өрісінің күші(3×106В/см),жақсырақ жылу өткізгіштік(49Вт/мК) жәнекеңірек жолақ аралығы(3,26эВ).
Жолақ саңылауы неғұрлым кең болса, ағып кету тогы соғұрлым аз және тиімділік соғұрлым жоғары болады. Жылу өткізгіштік неғұрлым жақсы болса, токтың тығыздығы соғұрлым жоғары болады. Көшкіннің сыни өрісі неғұрлым күшті болса, құрылғының кернеуге төзімділігін арттыруға болады.
Сондықтан, борттық жоғары кернеу саласында кремний негізіндегі IGBT және FRD комбинациясын ауыстыру үшін кремний карбиді материалдарымен дайындалған MOSFET және SBD қуат пен тиімділікті тиімді түрде жақсарта алады,әсіресе коммутациялық шығындарды азайту үшін жоғары жиілікті қолдану сценарийлерінде.
Қазіргі уақытта қозғалтқыш инверторларында, одан кейін OBC және DCDC кең ауқымды қолданбаларға қол жеткізу ықтималдығы жоғары.
800В кернеу платформасы
800В кернеу платформасында жоғары жиіліктің артықшылығы кәсіпорындарды SiC-MOSFET шешімін таңдауға бейім етеді. Сондықтан, ағымдағы 800 В электрондық басқару жоспарлаудың көпшілігі SiC-MOSFET.
Платформа деңгейіндегі жоспарлау кіредізаманауи E-GMP, GM Otenergy – пикап алаңы, Porsche PPE және Tesla EPA.SiC-MOSFET анық тасымалданбайтын Porsche PPE платформа үлгілерінен басқа (бірінші үлгі кремний диоксиді негізіндегі IGBT), басқа көлік платформалары SiC-MOSFET схемаларын қабылдайды.
Әмбебап ультра энергия платформасы
800 В моделін жоспарлау көбірек,Great Wall Salon бренді Jiagirong, Beiqi Pole Fox S HI нұсқасы, идеалды автокөлік S01 және W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 ол BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag қосымша, 800V платформасын тасымалдайтынын айтты, Volkswagen де зерттеулерде 800V технологиясын айтты.
Tier1 жеткізушілері алған 800В тапсырыстар жағдайынан,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics және Huichuan800 В электр жетегі туралы барлық жарияланған тапсырыстар.
400В кернеу платформасы
400 В кернеу платформасында SiC-MOSFET негізінен жоғары қуат пен қуат тығыздығын және жоғары тиімділікті ескереді.
Қазір жаппай шығарылған Tesla Model 3\Y қозғалтқышы сияқты, BYD Hanhou қозғалтқышының ең жоғары қуаты шамамен 200 кВт (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO сонымен қатар ET7-ден бастап SiC-MOSFET өнімдерін пайдаланады. және кейінірек тізімделетін ET5. Ең жоғары қуат - 240Кв (ET5 210Kw).
Сонымен қатар, жоғары тиімділік тұрғысынан кейбір кәсіпорындар SiC-MOSFET өнімдерін қосалқы су басудың орындылығын зерттеп жатыр.
Жіберу уақыты: 08 шілде 2023 ж
