چرا SiC اینقدر "الهی" است؟

در مقایسه با نیمه‌هادی‌های قدرت مبتنی بر سیلیکون، نیمه‌هادی‌های قدرت SiC (کاربید سیلیکون) مزایای قابل توجهی در فرکانس سوئیچینگ، تلفات، اتلاف گرما، کوچک‌سازی و غیره دارند.

با تولید انبوه اینورترهای کاربید سیلیکون توسط تسلا، شرکت‌های بیشتری نیز شروع به عرضه محصولات کاربید سیلیکون کرده‌اند.

SiC خیلی "شگفت‌انگیز" است، چطور ساخته شده؟ الان چه کاربردهایی دارد؟ ببینیم!

01 ☆ تولد یک SiC

مانند سایر نیمه هادی های قدرت، زنجیره صنعت SiC-MOSFET شامل موارد زیر است:پیوند کریستال بلند - زیرلایه - اپیتاکسی - طراحی - تولید - بسته‌بندی. 

کریستال بلند

در طول پیوند کریستالی طولانی، برخلاف روش Tira که برای تهیه سیلیکون تک کریستالی استفاده می‌شود، کاربید سیلیکون عمدتاً از روش انتقال فیزیکی گاز (PVT، که به عنوان روش Lly بهبود یافته یا روش تصعید کریستال دانه‌ای نیز شناخته می‌شود) و روش رسوب گاز شیمیایی در دمای بالا (HTCVD) به عنوان مکمل استفاده می‌کند.

☆ گام اصلی

۱. مواد خام جامد کربنی؛

۲. پس از حرارت دادن، جامد کاربید به گاز تبدیل می‌شود؛

۳. گاز به سطح بلور دانه حرکت می‌کند؛

۴. گاز روی سطح بلور دانه رشد می‌کند و به بلور تبدیل می‌شود.

منبع تصویر: «نکته فنی برای جداسازی کاربید سیلیکون رشد PVT»

تفاوت در ساخت باعث ایجاد دو عیب عمده در مقایسه با پایه سیلیکونی شده است:

اولاً، تولید دشوار و بازده پایین است.دمای فاز گازی پایه کربنی به بالای ۲۳۰۰ درجه سانتیگراد و فشار به ۳۵۰ مگاپاسکال می‌رسد. کل جعبه تاریک انجام می‌شود و به راحتی با ناخالصی‌ها مخلوط می‌شود. بازده کمتر از پایه سیلیکونی است. هرچه قطر بزرگتر باشد، بازده کمتر است.

دومی رشد آهسته است.سرعت رشد در روش PVT بسیار کند است، سرعت آن حدود 0.3 تا 0.5 میلی‌متر در ساعت است و می‌تواند در عرض 7 روز 2 سانتی‌متر رشد کند. حداکثر رشد آن فقط 3 تا 5 سانتی‌متر است و قطر شمش کریستالی عمدتاً 4 اینچ و 6 اینچ است.

72H مبتنی بر سیلیکون می‌تواند تا ارتفاع 2 تا 3 متر رشد کند، با قطرهایی که عمدتاً 6 اینچ و 8 اینچ هستند و ظرفیت تولید جدید برای 12 اینچ را دارند.بنابراین، کاربید سیلیکون اغلب شمش کریستالی نامیده می‌شود و سیلیکون به چوب کریستالی تبدیل می‌شود.

شمش‌های کریستال سیلیکون کاربیدی

بستر

پس از تکمیل کریستال بلند، وارد فرآیند تولید زیرلایه می‌شود.

پس از برش هدفمند، سنگ‌زنی (سنگ‌زنی خشن، سنگ‌زنی ریز)، پرداخت (پرداخت مکانیکی)، پرداخت فوق‌العاده دقیق (پرداخت مکانیکی شیمیایی)، زیرلایه کاربید سیلیکون به دست می‌آید.

بستر عمدتاً نقش داردنقش تکیه‌گاه فیزیکی، رسانایی حرارتی و رسانایی.مشکل پردازش این است که ماده کاربید سیلیکون از نظر خواص شیمیایی بسیار بالا، ترد و پایدار است. بنابراین، روش‌های سنتی پردازش مبتنی بر سیلیکون برای زیرلایه کاربید سیلیکون مناسب نیستند.

کیفیت اثر برش مستقیماً بر عملکرد و راندمان استفاده (هزینه) محصولات کاربید سیلیکون تأثیر می‌گذارد، بنابراین لازم است که کوچک، ضخامت یکنواخت و برش کم باشد.

در حال حاضر،۴ اینچی و ۶ اینچی عمدتاً از تجهیزات برش چند خطی استفاده می‌کنند،برش کریستال‌های سیلیکون به برش‌های نازک با ضخامت حداکثر ۱ میلی‌متر.

نمودار شماتیک برش چند خطی

در آینده، با افزایش اندازه ویفرهای سیلیکونی کربنیزه، افزایش الزامات استفاده از مواد افزایش خواهد یافت و فناوری‌هایی مانند برش لیزری و جداسازی سرد نیز به تدریج اعمال خواهند شد.

در سال ۲۰۱۸، اینفینئون شرکت سیلتکترا (Siltectra GmbH) را خریداری کرد که فرآیند نوآورانه‌ای به نام کراکینگ سرد (cold cracking) را توسعه داده بود.

در مقایسه با فرآیند برش چند سیمه سنتی، تلفات ۱/۴ است.فرآیند ترک خوردگی سرد تنها 1/8 از ماده کاربید سیلیکون را از دست داد.

پسوند

از آنجایی که مواد کاربید سیلیکون نمی‌توانند دستگاه‌های قدرت را مستقیماً روی زیرلایه بسازند، دستگاه‌های مختلفی روی لایه الحاقی مورد نیاز است.

بنابراین، پس از تکمیل تولید زیرلایه، یک لایه نازک تک کریستالی خاص از طریق فرآیند کشش روی زیرلایه رشد داده می‌شود.

در حال حاضر، فرآیند رسوب شیمیایی گاز (CVD) عمدتاً مورد استفاده قرار می‌گیرد.

طراحی

پس از ساخت زیرلایه، وارد مرحله طراحی محصول می‌شود.

برای MOSFET، تمرکز فرآیند طراحی، طراحی شیار است،از یک طرف برای جلوگیری از نقض حق ثبت اختراع(اینفینئون، روم، اس‌تی و غیره، طرح ثبت اختراع دارند)، و از سوی دیگر بهقابلیت تولید و هزینه‌های تولید را برآورده کند.

ساخت ویفر

پس از اتمام طراحی محصول، وارد مرحله تولید ویفر می‌شود،و این فرآیند تقریباً مشابه سیلیکون است که عمدتاً شامل ۵ مرحله زیر است.

☆مرحله ۱: ماسک را تزریق کنید

یک لایه از فیلم اکسید سیلیکون (SiO2) ساخته می‌شود، مقاومت نوری پوشش داده می‌شود، الگوی مقاومت نوری از طریق مراحل همگن‌سازی، نوردهی، ظهور و غیره شکل می‌گیرد و شکل از طریق فرآیند حکاکی به فیلم اکسید منتقل می‌شود.

☆مرحله ۲: کاشت یون

ویفر کاربید سیلیکون ماسک‌دار در یک کاشت‌کننده یون قرار می‌گیرد، جایی که یون‌های آلومینیوم برای تشکیل یک ناحیه آلایش نوع P تزریق می‌شوند و برای فعال کردن یون‌های آلومینیوم کاشته شده، آنیل می‌شوند.

لایه اکسید برداشته می‌شود، یون‌های نیتروژن به ناحیه خاصی از ناحیه آلایش نوع P تزریق می‌شوند تا یک ناحیه رسانای نوع N در درین و سورس تشکیل شود و یون‌های نیتروژن کاشته شده برای فعال شدن، بازپخت می‌شوند.

☆مرحله 3: شبکه را بسازید

شبکه را بسازید. در ناحیه بین منبع و تخلیه، لایه اکسید گیت با فرآیند اکسیداسیون در دمای بالا تهیه می‌شود و لایه الکترود گیت برای تشکیل ساختار کنترل گیت رسوب داده می‌شود.

☆مرحله 4: ساخت لایه‌های غیرفعال‌سازی

لایه غیرفعال‌سازی ساخته شده است. یک لایه غیرفعال‌سازی با ویژگی‌های عایق‌بندی خوب ایجاد کنید تا از خرابی بین الکترودی جلوگیری شود.

☆مرحله ۵: ساخت الکترودهای درین-سورس

ساخت زهکش و منبع. لایه غیرفعال سوراخ شده و فلز برای تشکیل یک زهکش و یک منبع، پاشش می‌شود.

منبع عکس: Xinxi Capital

اگرچه به دلیل ویژگی‌های مواد کاربید سیلیکون، تفاوت کمی بین سطح فرآیند و سیلیکون پایه وجود دارد،کاشت یون و آنیلینگ باید در محیطی با دمای بالا انجام شوند.(تا ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد)، دمای بالا بر ساختار شبکه‌ای خود ماده تأثیر می‌گذارد و سختی نیز بر بازده تأثیر می‌گذارد.

علاوه بر این، برای اجزای MOSFET،کیفیت اکسیژن دریچه مستقیماً بر تحرک کانال و قابلیت اطمینان دریچه تأثیر می‌گذارد.زیرا دو نوع اتم سیلیکون و کربن در ماده کاربید سیلیکون وجود دارد.

بنابراین، یک روش رشد ویژه محیط گیت مورد نیاز است (نکته دیگر این است که ورق کاربید سیلیکون شفاف است و تنظیم موقعیت در مرحله فوتولیتوگرافی برای سیلیکون دشوار است).

پس از تکمیل ساخت ویفر، تراشه منفرد به یک تراشه بدون پوشش برش داده می‌شود و می‌تواند مطابق با هدف مورد نظر بسته‌بندی شود. فرآیند رایج برای دستگاه‌های گسسته، بسته‌بندی TO است.

ماسفت‌های CoolSiC™ با ولتاژ ۶۵۰ ولت در بسته‌بندی TO-247

عکس: اینفینئون

صنعت خودرو الزامات توان و اتلاف حرارت بالایی دارد و گاهی اوقات لازم است که مستقیماً مدارهای پل (نیم پل یا تمام پل یا مستقیماً بسته‌بندی شده با دیودها) ساخته شوند.

بنابراین، اغلب مستقیماً در ماژول‌ها یا سیستم‌ها بسته‌بندی می‌شود. بر اساس تعداد تراشه‌های بسته‌بندی شده در یک ماژول واحد، شکل رایج آن ۱ در ۱ (BorgWarner)، ۶ در ۱ (Infineon) و غیره است و برخی از شرکت‌ها از طرح موازی تک لوله‌ای استفاده می‌کنند.

بورگوارنر وایپر

پشتیبانی از خنک‌کننده آبی دوطرفه و SiC-MOSFET

ماژول های Infineon CoolSiC™ MOSFET

برخلاف سیلیکون،ماژول‌های کاربید سیلیکون در دمای بالاتر، حدود ۲۰۰ درجه سانتیگراد، کار می‌کنند.

دمای ذوب لحیم نرم سنتی پایین است و نمی‌تواند الزامات دما را برآورده کند. بنابراین، ماژول‌های کاربید سیلیکون اغلب از فرآیند جوشکاری تف جوشی نقره در دمای پایین استفاده می‌کنند.

پس از تکمیل ماژول، می‌توان آن را روی سیستم قطعات اعمال کرد.

کنترل کننده موتور تسلا مدل ۳

تراشه‌ی اصلی از ST، بسته‌ی توسعه‌یافته‌ی خود شرکت و سیستم محرکه‌ی الکتریکی می‌آید.

☆02 وضعیت درخواست SiC؟

در زمینه خودرو، دستگاه‌های قدرت عمدتاً در موارد زیر استفاده می‌شوندDCDC، OBC، اینورترهای موتور، اینورترهای تهویه مطبوع برقی، شارژ بی‌سیم و سایر قطعاتکه نیاز به تبدیل سریع AC/DC دارند (DCDC عمدتاً به عنوان یک سوئیچ سریع عمل می‌کند).

عکس: بورگ وارنر

در مقایسه با مواد مبتنی بر سیلیکون، مواد SIC مقاومت بالاتری دارند.قدرت میدان شکست بحرانی بهمن(۳×۱۰۶ ولت بر سانتی‌متر)،رسانایی حرارتی بهتر(۴۹ وات بر میلی‌کلوین) وشکاف باند وسیع‌تر(۳.۲۶ الکترون‌ولت).

هرچه شکاف نواری پهن‌تر باشد، جریان نشتی کمتر و راندمان بالاتر است. هرچه رسانایی حرارتی بهتر باشد، چگالی جریان بیشتر است. هرچه میدان شکست بهمنی بحرانی قوی‌تر باشد، مقاومت ولتاژ دستگاه می‌تواند بهبود یابد.

بنابراین، در زمینه ولتاژ بالای روی برد، MOSFETها و SBDهای تهیه‌شده با مواد کاربید سیلیکون برای جایگزینی ترکیب IGBT و FRD مبتنی بر سیلیکون موجود، می‌توانند به طور مؤثر قدرت و کارایی را بهبود بخشند،به خصوص در سناریوهای کاربردی فرکانس بالا برای کاهش تلفات سوئیچینگ.

در حال حاضر، بیشترین احتمال برای دستیابی به کاربردهای در مقیاس بزرگ در اینورترهای موتور و پس از آن در OBC و DCDC وجود دارد.

پلتفرم ولتاژ ۸۰۰ ولت

در پلتفرم ولتاژ ۸۰۰ ولت، مزیت فرکانس بالا باعث می‌شود شرکت‌ها تمایل بیشتری به انتخاب راه‌حل SiC-MOSFET داشته باشند. بنابراین، اکثر برنامه‌ریزی‌های کنترل الکترونیکی ۸۰۰ ولت فعلی از SiC-MOSFET استفاده می‌کنند.

برنامه‌ریزی در سطح پلتفرم شامل موارد زیر استE-GMP مدرن، GM Otenergy – وانت، Porsche PPE و Tesla EPA.به جز مدل‌های پلتفرم PPE پورشه که صراحتاً SiC-MOSFET را حمل نمی‌کنند (اولین مدل IGBT مبتنی بر سیلیکا است)، سایر پلتفرم‌های خودرو از طرح‌های SiC-MOSFET استفاده می‌کنند.

پلتفرم انرژی یونیورسال اولترا

برنامه‌ریزی مدل ۸۰۰ ولتی بیشتر است،برند جیاگیرونگ از گریت وال سالن، نسخه بیکی پول فاکس اس اچ آی، آیدیل کار اس۰۱ و دبلیو۰۱، شیائوپنگ جی۹، بی‌ام‌و ان‌کی۱چانگان آویتا E11 اعلام کرد که پلتفرم 800 ولت را به همراه خواهد داشت، علاوه بر BYD، Lantu، GAC، مرسدس بنز، zero Run، FAW Red Flag و فولکس واگن نیز اعلام کردند که فناوری 800 ولت در حال تحقیق است.

از وضعیت سفارشات ۸۰۰ ولتی که توسط تأمین‌کنندگان Tier1 دریافت شده است،بورگ‌وارنر، ویپای تکنولوژی، زد اف، یونایتد الکترونیکس و هویچوانهمگی سفارش‌های مربوط به سیستم محرکه الکتریکی ۸۰۰ ولتی را اعلام کردند.

پلتفرم ولتاژ ۴۰۰ ولت

در پلتفرم ولتاژ ۴۰۰ ولت، SiC-MOSFET عمدتاً با توجه به توان و چگالی توان بالا و راندمان بالا مورد توجه قرار می‌گیرد.

مانند موتور تسلا مدل 3\Y که اکنون به تولید انبوه رسیده است، اوج توان موتور BYD Hanhou حدود 200 کیلووات است (تسلا 202 کیلووات، 194 کیلووات، 220 کیلووات، BYD 180 کیلووات)، NIO همچنین از محصولات SiC-MOSFET با شروع از ET7 و ET5 که بعداً ذکر خواهد شد، استفاده خواهد کرد. اوج توان 240 کیلووات است (ET5 210 کیلووات).

علاوه بر این، از منظر راندمان بالا، برخی از شرکت‌ها در حال بررسی امکان‌سنجی محصولات SiC-MOSFET با سیل کمکی هستند.