چرا SiC اینقدر "الهی" است؟

در مقایسه با نیمه هادی های قدرت مبتنی بر سیلیکون، نیمه هادی های قدرت SiC (کاربید سیلیکون) مزایای قابل توجهی در فرکانس سوئیچینگ، تلفات، اتلاف گرما، کوچک سازی و غیره دارند.

با تولید گسترده اینورترهای کاربید سیلیکون توسط تسلا، شرکت های بیشتری نیز شروع به تولید محصولات کاربید سیلیکون کرده اند.

SiC بسیار شگفت انگیز است، چگونه ساخته شده است؟ الان برنامه ها چیه؟ ببینیم!

01 ☆ تولد یک SiC

مانند سایر نیمه هادی های قدرت، زنجیره صنعت SiC-MOSFET شامل می شودلینک کریستال بلند – بستر – اپیتاکسی – طراحی – ساخت – بسته بندی. 

کریستال بلند

در طول پیوند کریستالی بلند، برخلاف روش تیرا که توسط سیلیکون تک کریستال استفاده می شود، کاربید سیلیکون عمدتاً از روش انتقال گاز فیزیکی (PVT، همچنین به عنوان روش بهبود یافته Lly یا تصعید کریستال دانه نیز شناخته می شود)، روش رسوب گاز شیمیایی با دمای بالا (HTCVD) استفاده می کند. ) مکمل ها

☆ مرحله اصلی

1. مواد خام جامد کربنیک؛

2. پس از گرم شدن، جامد کاربید به گاز تبدیل می شود.

3. حرکت گاز به سطح کریستال دانه.

4. گاز روی سطح کریستال دانه رشد می کند و به کریستال تبدیل می شود.

منبع تصویر: "نقطه فنی برای جداسازی کاربید سیلیکون رشد PVT"

ساخت متفاوت در مقایسه با پایه سیلیکونی دو عیب عمده ایجاد کرده است:

اولاً تولید مشکل است و بازده پایین است.دمای فاز گاز مبتنی بر کربن بالاتر از 2300 درجه سانتیگراد رشد می کند و فشار آن 350MPa است. کل جعبه تاریک انجام شده است و به راحتی با ناخالصی ها مخلوط می شود. بازده کمتر از پایه سیلیکونی است. هرچه قطر بزرگتر باشد، بازده کمتر است.

دوم رشد آهسته است.راهبری روش PVT بسیار کند است، سرعت آن حدود 0.3-0.5 میلی متر در ساعت است و می تواند در 7 روز 2 سانتی متر رشد کند. حداکثر می تواند فقط 3-5 سانتی متر رشد کند و قطر شمش کریستال عمدتاً 4 اینچ و 6 اینچ است.

72H مبتنی بر سیلیکون می‌تواند تا ارتفاع 2 تا 3 متر رشد کند، با قطر بیشتر 6 اینچ و ظرفیت تولید جدید 8 اینچی برای 12 اینچ.بنابراین کاربید سیلیکون را اغلب شمش کریستال می نامند و سیلیکون به چوب کریستال تبدیل می شود.

شمش کریستال سیلیکون کاربید

بستر

پس از تکمیل کریستال بلند، وارد فرآیند تولید زیرلایه می شود.

پس از برش هدفمند، سنگ زنی (سنگ زنی خشن، سنگ زنی ریز)، پرداخت (پرداخت مکانیکی)، پرداخت فوق العاده دقیق (پرداخت مکانیکی شیمیایی)، بستر کاربید سیلیکون به دست می آید.

بستر عمدتا بازی می کندنقش پشتیبانی فیزیکی، هدایت حرارتی و هدایت.دشواری پردازش این است که ماده کاربید سیلیکون بالا، ترد و از نظر خواص شیمیایی پایدار است. بنابراین، روش های سنتی پردازش مبتنی بر سیلیکون برای بستر کاربید سیلیکون مناسب نیستند.

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

در حال حاضر،4 اینچ و 6 اینچ عمدتا از تجهیزات برش چند خطی استفاده می کند.برش کریستال های سیلیکون به برش های نازک با ضخامت بیش از 1 میلی متر.

نمودار شماتیک برش چند خطی

در آینده، با افزایش اندازه ویفرهای سیلیکونی کربنیزه، افزایش نیاز به استفاده از مواد افزایش می یابد و فناوری هایی مانند برش لیزری و جداسازی سرد نیز به تدریج اعمال خواهند شد.

در سال 2018، Infineon Siltectra GmbH را خریداری کرد که فرآیندی نوآورانه به نام کراکینگ سرد را توسعه داد.

در مقایسه با کاهش 1/4 فرآیند برش چند سیم سنتی،فرآیند ترک سرد تنها 1/8 از مواد کاربید سیلیکون را از دست داد.

پسوند

از آنجایی که مواد کاربید سیلیکون نمی توانند دستگاه های برق را مستقیماً روی بستر ایجاد کنند، دستگاه های مختلفی در لایه گسترش مورد نیاز است.

بنابراین، پس از اتمام تولید زیرلایه، یک لایه نازک تک کریستالی خاص از طریق فرآیند گسترش روی بستر رشد می کند.

در حال حاضر، فرآیند رسوب گاز شیمیایی (CVD) عمدتا مورد استفاده قرار می گیرد.

طراحی

پس از ساخته شدن بستر وارد مرحله طراحی محصول می شود.

برای ماسفت، تمرکز فرآیند طراحی، طراحی شیار است،از یک طرف برای جلوگیری از نقض حق ثبت اختراع(Infineon، Rohm، ST و غیره دارای طرح اختراع هستند)، و از طرف دیگر بهقابلیت ساخت و هزینه های ساخت را برآورده کند.

ساخت ویفر

پس از اتمام طراحی محصول، وارد مرحله تولید ویفر می شود.و این فرآیند تقریباً شبیه به سیلیکون است که عمدتاً دارای 5 مرحله زیر است.

☆مرحله 1: ماسک را تزریق کنید

لایه‌ای از فیلم اکسید سیلیکون (SiO2) ساخته می‌شود، فتورزیست پوشش داده می‌شود، الگوی فوتوریست از طریق مراحل همگن‌سازی، نوردهی، توسعه و غیره تشکیل می‌شود و شکل از طریق فرآیند اچ به فیلم اکسید منتقل می‌شود.

☆مرحله 2: کاشت یون

ویفر کاربید سیلیکون ماسک‌دار در یک کاشت یونی قرار داده می‌شود، جایی که یون‌های آلومینیوم برای تشکیل ناحیه دوپینگ نوع P تزریق می‌شوند و برای فعال کردن یون‌های آلومینیوم کاشته‌شده بازپخت می‌شوند.

فیلم اکسید برداشته می‌شود، یون‌های نیتروژن به ناحیه خاصی از ناحیه دوپینگ نوع P تزریق می‌شوند تا یک ناحیه رسانای نوع N از درن و منبع تشکیل شود، و یون‌های نیتروژن کاشته‌شده برای فعال کردن آن‌ها بازپخت می‌شوند.

☆مرحله 3: شبکه را بسازید

شبکه را بسازید. در ناحیه بین منبع و زهکش، لایه اکسید گیت با فرآیند اکسیداسیون با دمای بالا آماده می شود و لایه الکترود دروازه برای تشکیل ساختار کنترل دروازه رسوب می کند.

☆مرحله 4: ساخت لایه های غیرفعال

لایه Passivation ساخته شده است. یک لایه غیرفعال با ویژگی های عایق خوب برای جلوگیری از شکست بین الکترودها قرار دهید.

☆مرحله 5: الکترودهای منبع تخلیه بسازید

آبکش و منبع درست کنید. لایه غیرفعال سوراخ شده و فلز برای تشکیل یک زهکش و منبع پاشیده می شود.

منبع عکس: Xinxi Capital

اگرچه تفاوت کمی بین سطح فرآیند و مبتنی بر سیلیکون وجود دارد، به دلیل ویژگی‌های مواد کاربید سیلیکون،کاشت یون و بازپخت باید در یک محیط با دمای بالا انجام شود(تا 1600 درجه سانتیگراد)، دمای بالا بر ساختار شبکه خود ماده تأثیر می گذارد و دشواری نیز بر عملکرد تأثیر می گذارد.

علاوه بر این، برای اجزای ماسفت،کیفیت اکسیژن گیت به طور مستقیم بر تحرک کانال و قابلیت اطمینان گیت تأثیر می گذارد، زیرا در ماده کاربید سیلیکون دو نوع اتم سیلیکون و کربن وجود دارد.

بنابراین، یک روش رشد محیط دروازه ویژه مورد نیاز است (نکته دیگر این است که ورق کاربید سیلیکون شفاف است و هم ترازی موقعیت در مرحله فوتولیتوگرافی به سیلیکون دشوار است).

پس از اتمام ساخت ویفر، تراشه جداگانه به یک تراشه لخت بریده می شود و می توان آن را مطابق با هدف بسته بندی کرد. فرآیند رایج برای دستگاه های گسسته بسته TO است.

ماسفت های 650 ولت CoolSiC™ در بسته بندی TO-247

عکس: Infineon

رشته خودرو نیاز به توان و اتلاف حرارت بالایی دارد و گاهی اوقات نیاز به ساخت مستقیم مدارهای پل (نیم پل یا پل کامل یا بسته بندی مستقیم با دیودها) است.

بنابراین، اغلب به طور مستقیم در ماژول ها یا سیستم ها بسته بندی می شود. با توجه به تعداد تراشه های بسته بندی شده در یک ماژول، فرم رایج 1 در 1 (BorgWarner)، 6 در 1 (Infineon) و غیره است و برخی از شرکت ها از طرح موازی تک لوله ای استفاده می کنند.

Borgwarner Viper

از خنک کننده آب دو طرفه و SiC-MOSFET پشتیبانی می کند

ماژول های Infineon CoolSiC™ MOSFET

برخلاف سیلیکون،ماژول های کاربید سیلیکون در دمای بالاتر، حدود 200 درجه سانتیگراد کار می کنند.

دمای نقطه ذوب لحیم کاری نرم سنتی کم است، نمی تواند نیازهای دما را برآورده کند. بنابراین، ماژول های کاربید سیلیکون اغلب از فرآیند جوشکاری زینترینگ نقره با دمای پایین استفاده می کنند.

پس از تکمیل ماژول، می توان آن را در سیستم قطعات اعمال کرد.

کنترل کننده موتور تسلا مدل 3

تراشه لخت از ST، بسته خود توسعه یافته و سیستم محرک الکتریکی می آید

☆02 وضعیت برنامه SiC؟

در زمینه خودرو، دستگاه های قدرت عمدتا در استفاده می شودDCDC، OBC، اینورترهای موتور، اینورترهای تهویه مطبوع الکتریکی، شارژ بی سیم و سایر قطعاتکه نیاز به تبدیل سریع AC/DC دارند (DCDC عمدتا به عنوان یک سوئیچ سریع عمل می کند).

عکس: BorgWarner

در مقایسه با مواد مبتنی بر سیلیکون، مواد SIC بالاتر هستندقدرت میدان شکست بحرانی بهمن(3×106V/cm)،هدایت حرارتی بهتر(49W/mK) وشکاف باند وسیع تر(3.26eV).

هرچه شکاف باند بیشتر باشد، جریان نشتی کمتر و بازده بالاتر است. هرچه رسانایی حرارتی بهتر باشد، چگالی جریان بیشتر است. هرچه میدان شکست بحرانی بهمن قوی تر باشد، مقاومت ولتاژ دستگاه را می توان بهبود بخشید.

بنابراین، در زمینه ولتاژ بالا روی برد، ماسفت‌ها و SBD که توسط مواد کاربید سیلیکون برای جایگزینی ترکیب IGBT و FRD مبتنی بر سیلیکون موجود تهیه شده‌اند، می‌توانند به طور موثر قدرت و کارایی را بهبود بخشند.به ویژه در سناریوهای کاربرد فرکانس بالا برای کاهش تلفات سوئیچینگ.

در حال حاضر، به احتمال زیاد به کاربردهای مقیاس بزرگ در اینورترهای موتور دست می یابد و به دنبال آن OBC و DCDC قرار دارند.

پلت فرم ولتاژ 800 ولت

در پلت فرم ولتاژ 800 ولت، مزیت فرکانس بالا باعث می شود شرکت ها تمایل بیشتری به انتخاب راه حل SiC-MOSFET داشته باشند. بنابراین، بسیاری از کنترل الکترونیکی فعلی 800 ولت برنامه ریزی SiC-MOSFET.

برنامه ریزی در سطح پلت فرم شاملE-GMP مدرن، GM Otenergy – میدان پیکاپ، پورشه PPE و Tesla EPA.به جز مدل‌های پلت‌فرم PPE پورشه که به‌صراحت SiC-MOSFET را حمل نمی‌کنند (نخستین مدل IGBT مبتنی بر سیلیس است)، سایر پلت‌فرم‌های خودرو از طرح‌های SiC-MOSFET استفاده می‌کنند.

پلتفرم انرژی جهانی اولترا

برنامه ریزی مدل 800 ولت بیشتر است،نام تجاری سالن دیوار بزرگ Jiagirong، Beiqi pole Fox S HI، ماشین ایده آل S01 و W01، Xiaopeng G9، BMW NK1، چانگان Avita E11 گفت که آن را 800V پلت فرم حمل، علاوه بر BYD، لانتو، GAC 'آن، مرسدس بنز، صفر اجرا، FAW پرچم قرمز، فولکس واگن همچنین گفت: فن آوری 800V در تحقیقات.

از وضعیت سفارشات 800 ولت به دست آمده توسط تامین کنندگان Tier1،BorgWarner، Wipai Technology، ZF، United Electronics و Huichuanتمام سفارشات اعلام شده درایو الکتریکی 800 ولت.

پلت فرم ولتاژ 400 ولت

در پلت فرم ولتاژ 400 ولت، SiC-MOSFET عمدتاً در نظر گرفتن توان و چگالی توان بالا و راندمان بالا است.

مانند موتور Tesla Model 3\Y که اکنون به تولید انبوه رسیده است، حداکثر قدرت موتور BYD Hanhou حدود 200Kw است (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO همچنین از محصولات SiC-MOSFET با شروع از ET7 استفاده خواهد کرد. و ET5 که بعدا لیست خواهد شد. حداکثر توان 240Kw (ET5 210Kw) است.

علاوه بر این، از منظر راندمان بالا، برخی از شرکت ها امکان سنجی محصولات SiC-MOSFET سیلابی کمکی را نیز بررسی می کنند.