Kung ikukumpara sa mga semiconductors na nakabatay sa silicon, ang SiC (silicon carbide) na mga semiconductors ng kapangyarihan ay may makabuluhang pakinabang sa dalas ng paglipat, pagkawala, pagkawala ng init, miniaturization, atbp.
Sa malakihang produksyon ng mga silicon carbide inverters ng Tesla, mas maraming kumpanya ang nagsimula na ring maglagay ng mga produktong silicon carbide.
Ang SiC ay "kamangha-manghang", paano ito ginawa?Ano ang mga aplikasyon ngayon?Tingnan natin!
01 ☆ Kapanganakan ng isang SiC
Tulad ng ibang power semiconductors, kasama sa chain ng industriya ng SiC-MOSFETang mahabang kristal - substrate - epitaxy - disenyo - pagmamanupaktura - link sa packaging.
Mahabang kristal
Sa panahon ng mahabang kristal na link, hindi katulad ng paghahanda ng pamamaraang Tira na ginagamit ng solong kristal na silikon, ang silicon carbide ay pangunahing gumagamit ng pisikal na paraan ng transportasyon ng gas (PVT, na kilala rin bilang pinahusay na Lly o seed crystal sublimation method), mataas na temperatura na paraan ng deposition ng kemikal na gas ( HTCVD ) pandagdag.
☆ Pangunahing hakbang
1. Carbonic solid raw na materyal;
2. Pagkatapos ng pag-init, ang carbide solid ay nagiging gas;
3. Lumipat ang gas sa ibabaw ng seed crystal;
4. Ang gas ay lumalaki sa ibabaw ng seed crystal at nagiging kristal.
Pinagmulan ng larawan: "Technical Point para i-disassemble ang PVT growth silicon carbide"
Ang iba't ibang craftsmanship ay nagdulot ng dalawang pangunahing kawalan kumpara sa base ng silikon:
Una, mahirap ang produksyon at mababa ang ani.Ang temperatura ng carbon-based na gas phase ay lumalaki sa itaas ng 2300 ° C at ang presyon ay 350MPa.Ang buong madilim na kahon ay isinasagawa, at ito ay madaling ihalo sa mga impurities.Ang ani ay mas mababa kaysa sa base ng silikon.Kung mas malaki ang diameter, mas mababa ang ani.
Ang pangalawa ay mabagal na paglaki.Ang Pamamahala ng paraan ng PVT ay napakabagal, ang bilis ay humigit-kumulang 0.3-0.5mm/h, at maaari itong lumaki ng 2cm sa loob ng 7 araw.Ang maximum ay maaari lamang lumaki ng 3-5cm, at ang diameter ng crystal ingot ay halos 4 na pulgada at 6 na pulgada.
Ang Silicon-based na 72H ay maaaring lumaki sa taas na 2-3m, na may diameter na halos 6 pulgada at 8-pulgada na bagong kapasidad ng produksyon para sa 12 pulgada.Samakatuwid, ang silicon carbide ay madalas na tinatawag na crystal ingot, at ang silikon ay nagiging isang crystal stick.
Carbide silicon crystal ingots
Substrate
Matapos makumpleto ang mahabang kristal, pumapasok ito sa proseso ng paggawa ng substrate.
Pagkatapos ng target na pagputol, paggiling (magaspang na paggiling, pinong paggiling), buli (mechanical polishing), ultra-precision polishing (chemical mechanical polishing), ang silicon carbide substrate ay nakuha.
Ang substrate ay pangunahing gumaganapang papel ng pisikal na suporta, thermal conductivity at conductivity.Ang kahirapan sa pagproseso ay ang materyal na silicon carbide ay mataas, malutong, at matatag sa mga katangian ng kemikal.Samakatuwid, ang mga tradisyonal na pamamaraan ng pagpoproseso na nakabatay sa silikon ay hindi angkop para sa substrate ng silicon carbide.
Ang kalidad ng cutting effect ay direktang nakakaapekto sa performance at utilization efficiency (cost) ng mga produktong silicon carbide, kaya kailangan itong maliit, pare-parehong kapal, at mababang pagputol.
Sa kasalukuyan,Ang 4-inch at 6-inch ay pangunahing gumagamit ng multi-line cutting equipment,pagputol ng mga kristal na silikon sa manipis na hiwa na may kapal na hindi hihigit sa 1mm.
Multi-line cutting schematic diagram
Sa hinaharap, sa pagtaas ng laki ng mga carbonized na silicon na wafer, ang pagtaas sa mga kinakailangan sa paggamit ng materyal ay tataas, at ang mga teknolohiya tulad ng laser slicing at cold separation ay unti-unti ding ilalapat.
Noong 2018, nakuha ng Infineon ang Siltectra GmbH, na bumuo ng isang makabagong proseso na kilala bilang cold cracking.
Kung ikukumpara sa tradisyonal na multi-wire cutting process loss na 1/4,ang proseso ng malamig na pag-crack ay nawala lamang ang 1/8 ng materyal na silicon carbide.
Extension
Dahil ang materyal na silicon carbide ay hindi maaaring gumawa ng mga power device nang direkta sa substrate, ang iba't ibang mga aparato ay kinakailangan sa extension layer.
Samakatuwid, pagkatapos makumpleto ang paggawa ng substrate, ang isang tiyak na solong kristal na manipis na pelikula ay lumago sa substrate sa pamamagitan ng proseso ng extension.
Sa kasalukuyan, pangunahing ginagamit ang proseso ng chemical gas deposition method (CVD).
Disenyo
Matapos magawa ang substrate, papasok ito sa yugto ng disenyo ng produkto.
Para sa MOSFET, ang pokus ng proseso ng disenyo ay ang disenyo ng uka,sa isang banda upang maiwasan ang paglabag sa patent(Infineon, Rohm, ST, atbp., ay may patent layout), at sa kabilang banda samatugunan ang mga gastos sa paggawa at pagmamanupaktura.
Paggawa ng ostiya
Matapos makumpleto ang disenyo ng produkto, papasok ito sa yugto ng paggawa ng wafer,at ang proseso ay halos katulad ng sa silikon, na higit sa lahat ay mayroong sumusunod na 5 hakbang.
☆ Hakbang 1: Iturok ang maskara
Ang isang layer ng silicon oxide (SiO2) film ay ginawa, ang photoresist ay pinahiran, ang photoresist pattern ay nabuo sa pamamagitan ng mga hakbang ng homogenization, exposure, development, atbp, at ang figure ay inilipat sa oxide film sa pamamagitan ng proseso ng pag-ukit.
☆ Hakbang 2: Ion implantation
Ang masked silicon carbide wafer ay inilalagay sa isang ion implanter, kung saan ang mga aluminum ions ay tinuturok upang bumuo ng isang P-type na doping zone, at nilagyan ng annealed upang maisaaktibo ang itinanim na mga aluminum ions.
Ang oxide film ay aalisin, ang mga nitrogen ions ay ini-injected sa isang partikular na rehiyon ng P-type na doping region upang bumuo ng isang N-type na conductive region ng drain at source, at ang implanted nitrogen ions ay annealed upang maisaaktibo ang mga ito.
☆ Hakbang 3: Gawin ang grid
Gawin ang grid.Sa lugar sa pagitan ng pinagmulan at alisan ng tubig, ang layer ng gate oxide ay inihanda sa pamamagitan ng proseso ng mataas na temperatura ng oksihenasyon, at ang layer ng electrode ng gate ay idineposito upang mabuo ang istraktura ng kontrol ng gate.
☆ Hakbang 4: Paggawa ng mga passivation layer
Ginagawa ang passivation layer.Mag-deposito ng passivation layer na may magandang insulation na katangian para maiwasan ang interelectrode breakdown.
☆ Hakbang 5: Gumawa ng drain-source electrodes
Gumawa ng alisan ng tubig at pinagmulan.Ang passivation layer ay butas-butas at metal ay sputtered upang bumuo ng isang alisan ng tubig at isang pinagmulan.
Pinagmulan ng Larawan: Xinxi Capital
Bagaman mayroong maliit na pagkakaiba sa pagitan ng antas ng proseso at batay sa silikon, dahil sa mga katangian ng mga materyales ng silikon karbid,Ang pagtatanim ng ion at pagsusubo ay kailangang isagawa sa isang mataas na temperatura na kapaligiran(hanggang sa 1600 ° C), ang mataas na temperatura ay makakaapekto sa istraktura ng sala-sala ng materyal mismo, at ang kahirapan ay makakaapekto rin sa ani.
Bilang karagdagan, para sa mga bahagi ng MOSFET,ang kalidad ng gate oxygen ay direktang nakakaapekto sa channel mobility at gate reliability, dahil mayroong dalawang uri ng silikon at carbon atoms sa materyal na silicon carbide.
Samakatuwid, ang isang espesyal na paraan ng paglago ng daluyan ng gate ay kinakailangan (isa pang punto ay ang silicon carbide sheet ay transparent, at ang pagkakahanay ng posisyon sa yugto ng photolithography ay mahirap sa silikon).
Matapos makumpleto ang pagmamanupaktura ng wafer, ang indibidwal na chip ay pinutol sa isang hubad na chip at maaaring i-package ayon sa layunin.Ang karaniwang proseso para sa mga discrete na device ay TO package.
650V CoolSiC™ MOSFET sa TO-247 package
Larawan: Infineon
Ang larangan ng automotive ay may mataas na kapangyarihan at mga kinakailangan sa pagwawaldas ng init, at kung minsan ay kinakailangan na direktang bumuo ng mga circuit ng tulay (kalahating tulay o buong tulay, o direktang nakabalot sa mga diode).
Samakatuwid, madalas itong naka-package nang direkta sa mga module o system.Ayon sa bilang ng mga chip na nakabalot sa isang module, ang karaniwang anyo ay 1 sa 1 (BorgWarner), 6 sa 1 (Infineon), atbp., at ang ilang mga kumpanya ay gumagamit ng single-tube parallel scheme.
Borgwarner Viper
Sinusuportahan ang double-sided water cooling at SiC-MOSFET
Mga module ng Infineon CoolSiC™ MOSFET
Hindi tulad ng silikon,Ang mga module ng silicon carbide ay gumagana sa mas mataas na temperatura, mga 200 ° C.
Tradisyunal na malambot na panghinang temperatura temperatura pagkatunaw point ay mababa, hindi maaaring matugunan ang mga kinakailangan sa temperatura.Samakatuwid, ang mga module ng silicon carbide ay kadalasang gumagamit ng proseso ng hinang na sintering na may mababang temperatura.
Matapos makumpleto ang module, maaari itong ilapat sa sistema ng mga bahagi.
Tesla Model3 motor controller
Ang hubad na chip ay mula sa ST, self-developed package at electric drive system
☆02 Status ng aplikasyon ng SiC?
Sa larangan ng automotive, pangunahing ginagamit ang mga power device saDCDC, OBC, motor inverters, electric air conditioning inverters, wireless charging at iba pang bahagina nangangailangan ng mabilis na conversion ng AC/DC (pangunahing gumaganap ang DCDC bilang isang mabilis na switch).
Larawan: BorgWarner
Kung ikukumpara sa mga materyales na nakabatay sa silikon, ang mga materyales ng SIC ay may mas mataascritical avalanche breakdown field strength(3×106V/cm),mas mahusay na thermal conductivity(49W/mK) atmas malawak na banda gap(3.26eV).
Kung mas malawak ang band gap, mas maliit ang leakage current at mas mataas ang kahusayan.Ang mas mahusay na thermal conductivity, mas mataas ang kasalukuyang density.Kung mas malakas ang field ng critical avalanche breakdown, maaaring mapabuti ang resistensya ng boltahe ng device.
Samakatuwid, sa larangan ng on-board na mataas na boltahe, ang mga MOSFET at SBD na inihanda ng mga materyales na silicon carbide upang palitan ang umiiral na kumbinasyon ng IGBT at FRD na nakabase sa silikon ay maaaring epektibong mapabuti ang kapangyarihan at kahusayan,lalo na sa mataas na dalas na mga sitwasyon ng aplikasyon upang mabawasan ang mga pagkalugi sa paglipat.
Sa kasalukuyan, ito ay malamang na makamit ang malakihang aplikasyon sa mga inverters ng motor, na sinusundan ng OBC at DCDC.
800V boltahe platform
Sa 800V boltahe platform, ang bentahe ng mataas na dalas ay ginagawang mas hilig ang mga negosyo na pumili ng solusyon sa SiC-MOSFET.Samakatuwid, karamihan sa kasalukuyang 800V electronic control pagpaplano SiC-MOSFET.
Kasama sa pagpaplano sa antas ng platformmodernong E-GMP, GM Otenergy – pickup field, Porsche PPE, at Tesla EPA.Maliban sa mga modelo ng platform ng Porsche PPE na hindi tahasang nagdadala ng SiC-MOSFET (ang unang modelo ay IGBT na nakabase sa silica), ang ibang mga platform ng sasakyan ay gumagamit ng mga scheme ng SiC-MOSFET.
Universal Ultra energy platform
Ang pagpaplano ng modelo ng 800V ay higit pa,ang tatak ng Great Wall Salon na Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI na bersyon, perpektong kotse S01 at W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 sinabi na ito ay magdadala ng 800V platform, bilang karagdagan sa BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen din sinabi 800V teknolohiya sa pananaliksik.
Mula sa sitwasyon ng 800V na mga order na nakuha ng mga supplier ng Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics, at Huichuanlahat ay nag-anunsyo ng 800V electric drive na mga order.
400V boltahe platform
Sa 400V boltahe platform, SiC-MOSFET ay higit sa lahat sa pagsasaalang-alang ng mataas na kapangyarihan at kapangyarihan density at mataas na kahusayan.
Tulad ng Tesla Model 3\Y motor na mass-produced ngayon, ang peak power ng BYD Hanhou motor ay humigit-kumulang 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), ang NIO ay gagamit din ng mga produktong SiC-MOSFET simula sa ET7 at ang ET5 na ililista mamaya.Ang peak power ay 240Kw (ET5 210Kw).
Bilang karagdagan, mula sa pananaw ng mataas na kahusayan, ang ilang mga negosyo ay nagsisiyasat din sa pagiging posible ng mga pantulong na pagbaha sa mga produktong SiC-MOSFET.
Oras ng post: Hul-08-2023