Kung itandi sa silicon-based power semiconductors, ang SiC (silicon carbide) power semiconductors adunay mahinungdanong bentaha sa switching frequency, pagkawala, heat dissipation, miniaturization, etc.
Uban sa dinagkong produksiyon sa mga silicon carbide inverters ni Tesla, daghang mga kompanya usab ang nagsugod sa pag-landing sa mga produkto sa silicon carbide.
Ang SiC "katingalahan", giunsa kini paghimo?Unsa ang mga aplikasyon karon?Tan-awon nato!
01 ☆ Pagkatawo sa usa ka SiC
Sama sa ubang mga semiconductors sa kuryente, ang kadena sa industriya sa SiC-MOSFET naglakipang taas nga kristal - substrate - epitaxy - disenyo - manufacturing - packaging link.
Taas nga kristal
Atol sa taas nga kristal nga sumpay, dili sama sa pag-andam sa pamaagi sa Tira nga gigamit sa usa ka kristal nga silikon, ang silicon carbide nag-una nga nagsagop sa pisikal nga pamaagi sa transportasyon sa gas (PVT, nailhan usab nga mas maayo nga Lly o seed crystal sublimation method), taas nga temperatura nga kemikal nga pamaagi sa pagdeposito sa gas ( HTCVD ) mga suplemento.
☆ Panguna nga lakang
1. Carbonic solid nga hilaw nga materyales;
2. Human sa pagpainit, ang carbide solid mahimong gas;
3. Gas mobalhin sa ibabaw sa liso kristal;
4. Ang gas motubo sa ibabaw sa liso nga kristal ngadto sa kristal.
Tinubdan sa hulagway: "Technical Point sa pag-disassemble sa PVT growth silicon carbide"
Ang lainlain nga pagkabuhat nagpahinabog duha ka dagkong mga disbentaha kung itandi sa base sa silicon:
Una, lisod ang produksiyon ug ubos ang abot.Ang temperatura sa carbon-based gas phase motubo sa ibabaw sa 2300 ° C ug ang pressure mao ang 350MPa.Ang tibuuk nga ngitngit nga kahon gihimo, ug dali nga isagol sa mga hugaw.Ang ani mas ubos kay sa base sa silicon.Kon mas dako ang diametro, mas ubos ang ani.
Ang ikaduha mao ang hinay nga pagtubo.Ang Governance sa pamaagi sa PVT hinay kaayo, ang katulin mga 0.3-0.5mm/h, ug kini motubo ug 2cm sulod sa 7 ka adlaw.Ang kinatas-an mahimo lamang nga motubo 3-5cm, ug ang diametro sa kristal nga ingot kasagaran 4 pulgada ug 6 pulgada.
Ang Silicon-based nga 72H mahimong motubo ngadto sa gitas-on nga 2-3m, nga adunay mga diametro nga kasagaran 6 pulgada ug 8-pulgada nga bag-ong kapasidad sa produksyon alang sa 12 pulgada.Busa, ang silicon carbide sagad gitawag nga kristal nga ingot, ug ang silicon nahimong kristal nga sungkod.
Carbide silicon nga kristal ingot
substrate
Human makompleto ang taas nga kristal, kini mosulod sa proseso sa produksyon sa substrate.
Human sa gipunting nga pagputol, paggaling (grass nga paggaling, maayong paggaling), pagpasinaw (mechanical polishing), ultra-precision polishing (chemical mechanical polishing), ang silicon carbide substrate makuha.
Ang substrate nag-una nga nagdulaang papel sa pisikal nga suporta, thermal conductivity ug conductivity.Ang kalisud sa pagproseso mao nga ang silicon carbide nga materyal taas, crispy, ug lig-on sa kemikal nga mga kabtangan.Busa, ang tradisyonal nga silicon-based nga mga pamaagi sa pagproseso dili angay alang sa silicon carbide substrate.
Ang kalidad sa epekto sa pagputol direkta nga nakaapekto sa performance ug utilization efficiency (gasto) sa mga produkto sa silicon carbide, mao nga gikinahanglan kini nga gamay, uniporme nga gibag-on, ug ubos nga pagputol.
Sa pagkakaron,Ang 4-pulgada ug 6-pulgada nag-una nga naggamit sa multi-line cutting equipment,pagputol sa mga kristal nga silicon ngadto sa nipis nga mga hiwa nga adunay gibag-on nga dili molapas sa 1mm.
Multi-line cutting schematic diagram
Sa umaabot, sa pagdugang sa gidak-on sa carbonized silicon wafers, ang pagtaas sa mga kinahanglanon sa paggamit sa materyal modaghan, ug ang mga teknolohiya sama sa laser slicing ug cold separation usab anam-anam nga magamit.
Sa 2018, nakuha ni Infineon ang Siltectra GmbH, nga nagpalambo sa usa ka bag-ong proseso nga nailhan nga cold cracking.
Kon itandi sa tradisyonal nga multi-wire cutting proseso pagkawala sa 1/4,ang proseso sa bugnaw nga cracking nawala lang ang 1/8 sa materyal nga silicon carbide.
Extension
Tungod kay ang silicon carbide nga materyal dili makahimo sa mga power device direkta sa substrate, lain-laing mga himan ang gikinahanglan sa extension layer.
Busa, human makompleto ang paghimo sa substrate, usa ka piho nga usa ka kristal nga manipis nga pelikula ang gipatubo sa substrate pinaagi sa proseso sa extension.
Sa pagkakaron, ang chemical gas deposition method (CVD) nga proseso ang kasagarang gigamit.
Disenyo
Human mabuhat ang substrate, mosulod kini sa yugto sa disenyo sa produkto.
Para sa MOSFET, ang pokus sa proseso sa disenyo mao ang disenyo sa lihok,sa usa ka bahin aron malikayan ang paglapas sa patente(Infineon, Rohm, ST, ug uban pa, adunay patent layout), ug sa laing bahin sapagtagbo sa mga gasto sa paghimo ug paghimo.
Paggama sa wafer
Human makompleto ang disenyo sa produkto, mosulod kini sa yugto sa paghimo sa wafer,ug ang proseso halos susama nianang sa silicon, nga kasagaran adunay mosunod nga 5 ka lakang.
☆ Lakang 1: I-inject ang maskara
Ang usa ka layer sa silicon oxide (SiO2) nga pelikula gihimo, ang photoresist gitabonan, ang photoresist pattern naporma pinaagi sa mga lakang sa homogenization, exposure, development, ug uban pa, ug ang numero gibalhin ngadto sa oxide film pinaagi sa proseso sa etching.
☆ Lakang 2: Ion implantation
Ang masked silicon carbide wafer gibutang sa usa ka ion implanter, diin ang mga aluminum ions gi-injected aron maporma ang usa ka P-type nga doping zone, ug gi-annealed aron ma-activate ang gi-implant nga aluminum ions.
Ang oxide film gikuha, nitroheno ions gi-injected ngadto sa usa ka piho nga rehiyon sa P-type doping rehiyon sa pagporma sa usa ka N-type nga conductive rehiyon sa kanal ug tinubdan, ug ang implanted nitroheno ions nga annealed sa activate kanila.
☆ Lakang 3: Himoa ang grid
Paghimo sa grid.Sa dapit sa taliwala sa tinubdan ug habwa, ang ganghaan oxide layer giandam sa taas nga temperatura oxidation proseso, ug ang ganghaan electrode layer gideposito sa pagporma sa ganghaan control istruktura.
☆ Lakang 4: Paghimo sa mga passivation layer
Gihimo ang passivation layer.Pagdeposito sa usa ka passivation layer nga adunay maayo nga insulasyon nga mga kinaiya aron malikayan ang pagkaguba sa interelectrode.
☆ Lakang 5: Paghimo ug mga electrodes nga gigikanan sa tubig
Himoa nga kanal ug tinubdan.Ang lut-od sa passivation gibutas ug ang metal gibuak aron mahimong usa ka kanal ug usa ka tinubdan.
Tinubdan sa Litrato: Xinxi Capital
Bisan kung adunay gamay nga kalainan tali sa lebel sa proseso ug base sa silicon, tungod sa mga kinaiya sa mga materyales sa silicon carbide,ion implantation ug annealing kinahanglan nga gidala sa gawas sa usa ka taas nga temperatura palibot(hangtod sa 1600 ° C), ang taas nga temperatura makaapekto sa istruktura sa lattice sa materyal mismo, ug ang kalisud makaapekto usab sa ani.
Dugang pa, alang sa mga sangkap sa MOSFET,ang kalidad sa gate oxygen direkta nga makaapekto sa channel mobility ug gate kasaligan, tungod kay adunay duha ka matang sa silicon ug carbon atoms sa silicon carbide nga materyal.
Busa, ang usa ka espesyal nga ganghaan medium nga pamaagi sa pagtubo gikinahanglan (laing punto mao nga ang silicon carbide sheet mao ang transparent, ug ang posisyon alignment sa photolithography yugto mao ang lisud nga sa silicon).
Human makompleto ang paghimo sa wafer, ang indibidwal nga chip putlon ngadto sa usa ka hubo nga chip ug mahimong iputos sumala sa katuyoan.Ang sagad nga proseso alang sa mga discrete nga aparato mao ang TO package.
650V CoolSiC™ MOSFETs sa TO-247 nga pakete
Litrato: Infineon
Ang natad sa automotive adunay taas nga gahum ug mga kinahanglanon sa pagwagtang sa kainit, ug usahay gikinahanglan nga direkta nga magtukod og mga circuit circuit (katunga nga tulay o bug-os nga tulay, o direkta nga giputos sa mga diode).
Busa, kini sagad giputos direkta ngadto sa modules o sistema.Sumala sa gidaghanon sa mga chips nga giputos sa usa ka module, ang komon nga porma mao ang 1 sa 1 (BorgWarner), 6 sa 1 (Infineon), ug uban pa, ug ang ubang mga kompanya naggamit sa usa ka single-tube parallel scheme.
Borgwarner Viper
Nagsuporta sa double-sided water cooling ug SiC-MOSFET
Infineon CoolSiC™ MOSFET modules
Dili sama sa silicon,Ang mga module sa silicon carbide naglihok sa mas taas nga temperatura, mga 200 ° C.
Ang tradisyonal nga humok nga humok nga temperatura sa temperatura sa pagtunaw sa temperatura ubos, dili makatagbo sa mga kinahanglanon sa temperatura.Busa, ang silicon carbide modules sagad naggamit sa ubos nga temperatura nga silver sintering welding nga proseso.
Human makompleto ang module, mahimo kini nga magamit sa sistema sa mga bahin.
Tesla Model3 motor controller
Ang hubo nga chip gikan sa ST, self-developed package ug electric drive system
☆02 Ang kahimtang sa aplikasyon sa SiC?
Sa natad sa automotive, ang mga aparato sa kuryente kasagarang gigamit saDCDC, OBC, motor inverters, electric air conditioning inverters, wireless charging ug uban pang mga bahinnga nagkinahanglan sa AC/DC paspas nga pagkakabig (DCDC nag-una nga naglihok ingon sa usa ka paspas switch).
Litrato: BorgWarner
Kung itandi sa mga materyales nga nakabase sa silicon, ang mga materyales sa SIC adunay mas taaskusog sa natad sa pagkaguba sa kritikal nga avalanche(3×106V/cm),mas maayo nga thermal conductivity(49W/mK) ugmas lapad nga gintang sa banda(3.26eV).
Ang mas lapad nga gintang sa banda, mas gamay ang leakage nga kasamtangan ug mas taas ang kahusayan.Ang mas maayo nga thermal conductivity, mas taas ang kasamtangan nga Densidad.Ang mas lig-on sa kritikal nga avalanche breakdown field mao ang, ang boltahe nga pagsukol sa device mahimong molambo.
Busa, sa natad sa on-board nga taas nga boltahe, ang MOSFET ug SBD nga giandam sa mga materyales sa silicon carbide aron mapulihan ang kasamtangan nga kombinasyon nga IGBT ug FRD nga nakabase sa silicon epektibo nga makapauswag sa gahum ug kahusayan,ilabi na sa high frequency nga mga sitwasyon sa aplikasyon aron makunhuran ang pagkawala sa switching.
Sa pagkakaron, kini lagmit nga makab-ot ang dagkong mga aplikasyon sa mga inverters sa motor, gisundan sa OBC ug DCDC.
800V boltahe nga plataporma
Sa 800V boltahe nga plataporma, ang bentaha sa taas nga frequency naghimo sa mga negosyo nga mas hilig sa pagpili sa SiC-MOSFET nga solusyon.Busa, ang kadaghanan sa kasamtangan nga 800V electronic control pagplano SiC-MOSFET.
Ang pagplano sa lebel sa plataporma naglakipmodernong E-GMP, GM Otenergy - pickup field, Porsche PPE, ug Tesla EPA.Gawas sa mga modelo sa plataporma sa Porsche PPE nga dili klaro nga nagdala sa SiC-MOSFET (ang unang modelo kay IGBT nga nakabase sa silica), ang ubang mga plataporma sa sakyanan nagsagop sa mga laraw sa SiC-MOSFET.
Universal Ultra nga plataporma sa enerhiya
Ang pagplano sa modelo sa 800V labi pa,ang Great Wall Salon brand Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI nga bersyon, sulundon nga awto S01 ug W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 miingon nga kini dad-on 800V plataporma, dugang pa sa BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen usab miingon 800V teknolohiya sa research.
Gikan sa sitwasyon sa 800V nga mga order nga nakuha sa Tier1 suppliers,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics, ug Huichuantanan nagpahibalo sa 800V electric drive nga mga order.
400V boltahe nga plataporma
Sa 400V boltahe nga plataporma, ang SiC-MOSFET nag-una sa pagkonsiderar sa taas nga gahum ug kusog nga density ug taas nga kahusayan.
Sama sa Tesla Model 3\Y motor nga mass-produced karon, ang peak power sa BYD Hanhou motor kay mga 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), ang NIO mogamit usab sa SiC-MOSFET nga mga produkto sugod sa ET7 ug ang ET5 nga ilista sa ulahi.Ang kinatas-ang gahum mao ang 240Kw (ET5 210Kw).
Dugang pa, gikan sa panan-aw sa taas nga kahusayan, ang pipila nga mga negosyo usab nagsuhid sa posibilidad sa mga auxiliary nga pagbaha sa mga produkto sa SiC-MOSFET.
Oras sa pag-post: Hul-08-2023