Silikon esasly güýç ýarymgeçirijiler bilen deňeşdirilende, SiC (kremniy karbid) kuwwatly ýarymgeçirijiler ýygylygy, ýitgini, ýylylygyň ýaýramagyny, miniatýurizasiýany we ş.m. çalyşmakda möhüm artykmaçlyklara eýe.
Tesla tarapyndan kremniy karbid inwertorlarynyň uly göwrümli öndürilmegi bilen has köp kompaniýa kremniy karbid önümlerini hem ýerleşdirip başlady.
SiC gaty “ajaýyp”, ýer ýüzünde nädip ýasaldy?Indi haýsy programmalar bar?Göreli!
01 Si SiC-iň döremegi
Beýleki güýç ýarymgeçirijiler ýaly, SiC-MOSFET senagat zynjyry hem baruzyn kristal - substrat - epitaksiýa - dizaýn - önümçilik - gaplama baglanyşygy.
Uzyn kristal
Uzyn kristal baglanyşykda, ýekeje kristal kremniniň ulanýan Tira usulynyň taýýarlanyşyndan tapawutlylykda, kremniy karbid esasan fiziki gaz daşamak usulyny (PVT, kämilleşdirilen Lly ýa-da tohum kristal sublimasiýa usuly diýlip hem atlandyrylýar), ýokary temperaturaly himiki gaz goýmak usuly (HTCVD) ulanýar ) goşundylar.
☆ Esasy ädim
1. Uglerod gaty çig mal;
2. heatingyladylandan soň karbid gaty gaty gaza öwrülýär;
3. Gaz tohum kristalynyň ýüzüne geçýär;
4. Gaz tohum kristalynyň üstünde kristala öwrülýär.
Surat çeşmesi: “PVT ösüş kremniy karbidini sökmek üçin tehniki nokat”
Dürli ussatlyk, kremniniň bazasy bilen deňeşdirilende iki sany uly kemçilik döretdi:
Birinjiden, önümçilik kyn we hasyl pes.Uglerod esasly gaz fazasynyň temperaturasy 2300 ° C-den ýokary we basyş 350MPa.Darkhli garaňky guty ýerine ýetirilýär we hapalara garyşmak aňsat.Hasyl kremniniň bazasyndan pesdir.Diametri näçe uly bolsa, hasyl pes bolýar.
Ikinjisi haýal ösüş.PVT usulyny dolandyrmak gaty haýal, tizligi takmynan 0,3-0.5mm / sag, 7 günde 2 sm ösüp biler.Maksimum diňe 3-5 sm ösüp bilýär we kristal ingotyň diametri esasan 4 dýuým we 6 dýum.
Silikon esasly 72H 2-3 metr beýiklige çenli ösüp biler, diametri esasan 6 dýuým we 12 dýuým üçin 8 dýuým täze önümçilik kuwwaty.Şonuň üçin kremniy karbide köplenç kristal ingot diýilýär we kremniý hrustal taýaga öwrülýär.
Karbid kremniniň kristal ingotlary
Substrat
Uzyn kristal gutaransoň, substratyň önümçilik prosesine girýär.
Maksatly kesmekden, üwemekden (gödek üwemekden, inçe üwemekden), ýalpyldawukdan (mehaniki ýalpyldawukdan), ultra takyk polishingden (himiki mehaniki ýalpyldawukdan) kremniniň karbid substraty alynýar.
Substrat esasan oýnaýarfiziki goldawyň, ýylylyk geçirijiliginiň we geçirijiliginiň roly.Gaýtadan işlemegiň kynlygy, kremniniň karbid materialynyň ýokary, çişikli we himiki aýratynlyklarynda durnukly bolmagydyr.Şonuň üçin kremniý esasly gaýtadan işlemegiň usullary kremniniň karbid substraty üçin amatly däl.
Kesiş effektiniň hili kremniy karbid önümleriniň öndürijiligine we ulanylyş netijeliligine (bahasyna) gönüden-göni täsir edýär, şonuň üçin kiçi, birmeňzeş galyňlyk we pes kesiş bolmaly.
Häzirki wagtda,4 dýuým we 6 dýuým esasan köp setirli kesiş enjamlaryny ulanýar,kremniý kristallaryny galyňlygy 1 mm-den köp bolmadyk inçe dilimlere kesmek.
Köp setirli kesiş shemasy
Geljekde karbonlaşdyrylan kremniy wafli ululyklarynyň köpelmegi bilen materialdan peýdalanmak talaplarynyň artmagy we lazer kesmek we sowuk aýralyk ýaly tehnologiýalar kem-kemden ulanylar.
2018-nji ýylda Infineon, sowuk döwmek diýlip atlandyrylýan innowasiýa prosesini döreden Siltectra GmbH-ni satyn aldy.
Adaty köp simli kesiş prosesi bilen deňeşdirilende 1/4,sowuk döwmek prosesi kremniy karbid materialynyň diňe 1/8 bölegini ýitirdi.
Giňeldiş
Silikon karbid materialy gönüden-göni substratda güýç enjamlaryny öndürip bilmeýändigi sebäpli, uzaldyş gatlagynda dürli enjamlar talap edilýär.
Şonuň üçin substratyň önümçiligi tamamlanandan soň, uzalma prosesi arkaly substratda belli bir hrustal inçe film ösdürilýär.
Häzirki wagtda himiki gazy çökdürmek usuly (CVD) esasan ulanylýar.
Dizaýn
Substrat ýasalandan soň önümiň dizaýn etabyna girýär.
MOSFET üçin dizaýn işiniň esasy maksady trubkanyň dizaýny,bir tarapdan patentiň bozulmagynyň öňüni almak(Infineon, Rohm, ST we ş.m. patent tertibi bar) we beýleki tarapdanöndürmek we önümçilik çykdajylaryny ödemek.
Wafli ýasama
Önüm dizaýny gutarandan soň, wafli önümçilik tapgyryna girýär,we amal esasan aşakdaky 5 ädimden ybarat kremniniň işine meňzeýär.
☆ 1-nji ädim: Maska sanjym ediň
Silikon oksidi (SiO2) filmiň bir gatlagy ýasalýar, fotorezist örtülýär, fotorezist nagşy birmeňzeşleşmek, täsir etmek, ösüş we ş.m. ädimleri arkaly emele gelýär we şekil okalma prosesi arkaly oksid filmine geçirilýär.
2 2-nji ädim: Ion implantasiýasy
Maskaly kremniy karbid wafli ion implantatoryna ýerleşdirilýär, bu ýerde alýumin ionlary P görnüşli doping zonasyny emele getirýär we implantirlenen alýumin ionlaryny işjeňleşdirmek üçin dykylýar.
Oksid filmi aýrylýar, zeýkeşiň we çeşmäniň N görnüşli geçiriji sebtini emele getirmek üçin P görnüşli doping sebitiniň belli bir sebitine azot ionlary sanjylýar we implantirlenen azot ionlary işjeňleşdirilýär.
3 3-nji ädim: Paneli düzüň
Tor gözläň.Çeşme bilen zeýkeşiň arasyndaky meýdanda derwezäniň oksidi gatlagy ýokary temperaturaly okislenme prosesi bilen taýýarlanýar we derwezäniň dolandyryş gurluşyny emele getirmek üçin derwezäniň elektrod gatlagy goýulýar.
4 4-nji ädim: Passiwasiýa gatlaklaryny ýasamak
Passiwasiýa gatlagy ýasalýar.Interelektrodyň bozulmagynyň öňüni almak üçin gowy izolýasiýa aýratynlyklary bolan passiwasiýa gatlagyny goýuň.
5 5-nji ädim: Zeýkeş çeşmesi bolan elektrodlary ýasaň
Zeýkeş we çeşme ediň.Passiwasiýa gatlagy deşilýär we zeýkeş we çeşme emele getirmek üçin metal dökülýär.
Surat çeşmesi: Sinxi paýtagty
Silikon karbid materiallarynyň aýratynlyklary sebäpli proses derejesi bilen kremniniň arasynda az tapawut bar bolsa-da,ion implantasiýasy we annealing ýokary temperatura gurşawynda amala aşyrylmalydyr(1600 ° C çenli), ýokary temperatura materialyň panjara gurluşyna täsir eder we kynçylyk hasyllylyga hem täsir eder.
Mundan başga-da, MOSFET komponentleri üçin,derwezäniň kislorodynyň hili kanalyň hereketine we derwezäniň ygtybarlylygyna gönüden-göni täsir edýär, sebäbi kremniniň karbid materialynda iki görnüşli kremniý we uglerod atomlary bar.
Şonuň üçin ýörite derwezäniň orta ösüş usuly talap edilýär (başga bir zat, kremniniň karbid listiniň aç-açan bolmagy we fotolitografiýa tapgyrynda ýerleşişiň kremniniň bolmagy kyn).
Wafli önümçiligi tamamlanandan soň, aýratyn çip ýalaňaç çipe bölünýär we maksat boýunça gaplanyp bilner.Aýry-aýry enjamlar üçin umumy amal TO paketdir.
TO-247 paketinde 650V CoolSiC ™ MOSFET
Photo: Infineon
Awtoulag meýdançasynda ýokary güýç we ýylylygy bölüp çykarmak talaplary bar we käwagt köpri zynjyrlaryny (ýarym köpri ýa-da doly köpri ýa-da göni diodlar bilen gaplanan) gurmak zerur bolýar.
Şonuň üçin köplenç göni modullara ýa-da ulgamlara gaplanýar.Bir modulda gaplanan çipleriň sanyna görä umumy görnüş 1-den 1 (BorgWarner), 6-dan 1 (Infineon) we ş.m. bolup, käbir kompaniýalar bir turba parallel shemany ulanýarlar.
Borgwarner Viper
Iki taraplaýyn suw sowadyşyny we SiC-MOSFET-i goldaýar
Infineon CoolSiC ™ MOSFET modullary
Silikondan tapawutlylykda,kremniý karbid modullary has ýokary temperaturada, takmynan 200 ° C-de işleýär.
Adaty ýumşak lehim temperaturasynyň ereýän nokadynyň temperaturasy pes, temperatura talaplaryny kanagatlandyryp bilmeýär.Şonuň üçin kremniý karbid modullary köplenç pes temperaturaly kümüş sintezleýiş kebşirleýiş işini ulanýarlar.
Modul gutaransoň, bölekler ulgamyna ulanylyp bilner.
Tesla Model3 hereketlendiriji
Arealaňaç çip ST, özbaşdak işlenip düzülen paketden we elektrik hereketlendiriji ulgamdan gelýär
☆ 02 SiC-iň amaly ýagdaýy?
Awtoulag pudagynda esasan güýç enjamlary ulanylýarDCDC, OBC, motor inwertorlary, elektrik kondisioner inwertorlary, simsiz zarýad bermek we beýleki böleklerAC / DC çalt öwrülmegini talap edýär (DCDC esasan çalt wyklýuçatel hökmünde çykyş edýär).
Photo: BorgWarner
Silikon esasly materiallar bilen deňeşdirilende, SIK materiallary has ýokarygüýçli gar süýşmesiniň meýdan güýji(3 × 106V / sm),has gowy ýylylyk geçirijiligi(49W / mK) wehas giň zolakly boşluk(3.26eV).
Zolak boşlugy näçe giň bolsa, syzýan tok şonça kiçi we netijeliligi şonça ýokarydyr.Malylylyk geçirijiligi näçe gowy bolsa, häzirki dykyzlygy şonça ýokarydyr.Güýç döwülmeginiň kritiki meýdany näçe güýçli bolsa, enjamyň naprýa .eniýe garşylygy gowulaşyp biler.
Şonuň üçin bortdaky ýokary woltly ulgamda, bar bolan kremniý esasly IGBT we FRD kombinasiýasyny çalyşmak üçin kremniy karbid materiallary bilen taýýarlanan MOSFET we SBD güýç we netijeliligi ýokarlandyryp biler,esasanam kommutasiýa ýitgilerini azaltmak üçin ýokary ýygylykly programma ssenarilerinde.
Häzirki wagtda motor inwertorlarynda, soň bolsa OBC we DCDC-de uly göwrümli programmalara ýetmek has ähtimal.
800V woltly platforma
800V woltly platformada ýokary ýygylygyň artykmaçlygy kärhanalary SiC-MOSFET çözgüdini saýlamaga has ýykgyn edýär.Şonuň üçin häzirki 800V elektron dolandyryş meýilnamasynyň köpüsi SiC-MOSFET.
Platforma derejesinde meýilnamalaşdyrmak öz içine alýarhäzirki zaman E-GMP, GM Otenergy - seçip alyş meýdançasy, Porsche PPE we Tesla EPA.SiC-MOSFET-i aç-açan götermeýän Porsche PPE platforma modellerinden başga (ilkinji model silisiýa esasly IGBT), beýleki ulag platformalary SiC-MOSFET shemalaryny kabul edýärler.
Univershliumumy Ultra energiýa platformasy
800V model meýilnamalaşdyrmak has köp,“Great Wall Salon” markasy Jiagirong, Beiqi polýus Fox S HI wersiýasy, ideal awtoulag S01 we W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11, BYD, Lantu, GAC 'an, Mersedes-Benz, nol Run, FAW Gyzyl Baýdakdan başga-da 800V platformany göterjekdigini aýtdy, Volkswagen hem gözlegde 800V tehnologiýany aýtdy.
Tier1 üpjün edijileri tarapyndan alnan 800V sargytlaryň ýagdaýyndan,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics we Huichuanhemmesi 800V elektrik hereketlendiriji sargytlaryny yglan etdi.
400V woltly platforma
400V woltly platformada SiC-MOSFET esasan ýokary güýç we güýç dykyzlygy we ýokary netijelilik göz öňünde tutulýar.
Häzirki wagtda köpçülikleýin öndürilen Tesla Model 3 \ Y hereketlendirijisi ýaly, BYD Hanhou motorynyň iň ýokary güýji 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO ET7-den başlap SiC-MOSFET önümlerini hem ulanar we soňrak görkeziljek ET5.Iň ýokary güýji 240Kw (ET5 210Kw).
Mundan başga-da, ýokary netijelilik nukdaýnazaryndan käbir kärhanalar kömekçi suw joşmagy SiC-MOSFET önümleriniň mümkinçiligini öwrenýärler.
Iş wagty: Iýul-08-2023