In paragone cù i semiconduttori di putenza à basa di siliciu, i semiconduttori di putenza SiC (carburu di siliciu) anu vantaghji significativi in termini di frequenza di commutazione, perdita, dissipazione di u calore, miniaturizazione, ecc.
Cù a pruduzzione à grande scala di inverter di carburo di siliciu da Tesla, più cumpagnie anu ancu cuminciatu à sbarcà prudutti di carburo di siliciu.
U SiC hè cusì "stupendu", cumu hè statu fattu ? Chì sò l'applicazioni avà ? Videmu !
01 ☆ Nascita di un SiC
Cum'è altri semiconduttori di putenza, a catena industriale SiC-MOSFET includeu ligame longu cristallu - substratu - epitaxia - cuncepimentu - fabricazione - imballaggio.
Cristallu longu
Durante u longu ligame di cristallu, à u cuntrariu di a preparazione di u metudu Tira utilizatu da u siliciu monocristallinu, u carburu di siliciu adotta principalmente u metudu di trasportu fisicu di gas (PVT, cunnisciutu ancu cum'è Lly miglioratu o metudu di sublimazione di cristalli di sementi), supplementi di u metudu di deposizione chimica di gas à alta temperatura (HTCVD).
☆ Passu principale
1. Materia prima solida carbonica;
2. Dopu u riscaldamentu, u solidu di carburu diventa gasu;
3. U gasu si move à a superficia di u cristallu di sementi;
4. U gasu cresce nantu à a superficia di u cristallu di sumente in un cristallu.
Fonte di l'imagine: "Puntu tecnicu per smuntà u carburu di siliciu di crescita PVT"
Una artigianalità diversa hà causatu dui svantaghji maiò paragunatu à a basa di silicone:
Prima, a pruduzzione hè difficiule è u rendimentu hè bassu.A temperatura di a fase gassosa à basa di carbone cresce sopra i 2300 °C è a pressione hè di 350 MPa. Tutta a scatula scura hè realizata, è hè faciule da mischjà cù impurità. U rendimentu hè più bassu chè a basa di silicone. Più grande hè u diametru, più bassu hè u rendimentu.
A seconda hè una crescita lenta.A guvernanza di u metudu PVT hè assai lenta, a velocità hè di circa 0,3-0,5 mm/h, è pò cresce di 2 cm in 7 ghjorni. U massimu pò cresce solu di 3-5 cm, è u diametru di u lingotto di cristallu hè per a maiò parte di 4 pollici è 6 pollici.
U 72H à basa di siliciu pò cresce finu à un'altezza di 2-3 m, cù diametri per a maiò parte di 6 pollici è una nova capacità di pruduzzione di 8 pollici per 12 pollici.Dunque, u carburu di siliciu hè spessu chjamatu lingottu di cristallu, è u siliciu diventa un bastone di cristallu.
Lingotti di cristallu di carburo di siliciu
Substratu
Dopu chì u cristallu longu hè cumpletatu, entra in u prucessu di pruduzzione di u substratu.
Dopu à u tagliu miratu, a macinazione (macinazione grossolana, macinazione fina), a lucidatura (lucidatura meccanica), a lucidatura d'ultra precisione (lucidatura chimica-meccanica), si ottiene u sustratu di carburo di siliciu.
U sustratu ghjoca principalmenteu rolu di u supportu fisicu, a cunduttività termica è a cunduttività.A difficultà di trasfurmazione hè chì u materiale di carburo di siliciu hè altu, croccante è stabile in e proprietà chimiche. Dunque, i metudi tradiziunali di trasfurmazione à basa di siliciu ùn sò micca adatti per u sustratu di carburo di siliciu.
A qualità di l'effettu di tagliu affetta direttamente e prestazioni è l'efficienza di utilizzazione (costu) di i prudutti di carburo di siliciu, dunque hè necessariu chì sia chjucu, di spessore uniforme è di tagliu bassu.
À u mumentu,4 pollici è 6 pollici utilizanu principalmente apparecchiature di taglio multilinea,taglià i cristalli di siliciu in fette fine cù un spessore di micca più di 1 mm.
Schema di tagliu multilinea
In u futuru, cù l'aumentu di a dimensione di e cialde di siliciu carbonizzatu, l'aumentu di i requisiti di utilizzazione di i materiali aumenterà, è e tecnulugie cum'è u tagliu laser è a separazione à fretu saranu ancu applicate gradualmente.
In u 2018, Infineon hà acquistatu Siltectra GmbH, chì hà sviluppatu un prucessu innovativu cunnisciutu cum'è cracking à fretu.
In paragone cù a perdita di 1/4 di u prucessu tradiziunale di tagliu multi-fili,U prucessu di cracking à fretu hà persu solu 1/8 di u materiale di carburu di siliciu.
Estensione
Siccomu u materiale di carburo di siliciu ùn pò micca fà dispositivi di putenza direttamente nantu à u sustratu, sò richiesti diversi dispositivi nantu à u stratu di estensione.
Dunque, dopu chì a pruduzzione di u sustratu hè cumpletata, una pellicola fina di cristallu unicu specifica hè cultivata nantu à u sustratu per mezu di u prucessu di estensione.
Attualmente, u prucessu di deposizione chimica di gas (CVD) hè principalmente utilizatu.
Cuncepimentu
Dopu chì u sustratu hè fattu, entra in a fase di cuncepimentu di u produttu.
Per MOSFET, u focu di u prucessu di cuncepimentu hè u cuncepimentu di a scanalatura,da una parte per evità a violazione di brevetti(Infineon, Rohm, ST, ecc., anu un layout di brevettu), è da l'altra parte àrisponde à a fabricabilità è à i costi di fabricazione.
Fabricazione di wafer
Dopu chì u cuncepimentu di u pruduttu hè cumpletatu, entra in a fase di fabricazione di wafer,è u prucessu hè più o menu simile à quellu di u siliciu, chì hà principalmente i seguenti 5 passi.
☆Passu 1: Iniettate a maschera
Un stratu di film d'ossidu di siliciu (SiO2) hè fattu, a fotoresist hè rivestita, u mudellu di fotoresist hè furmatu per mezu di i passi di omogeneizazione, esposizione, sviluppu, ecc., È a figura hè trasferita à u film d'ossidu per mezu di u prucessu di incisione.
☆Passu 2: Impiantu ionicu
A fetta di carburo di siliciu mascherata hè piazzata in un impiantatore di ioni, induve l'ioni d'aluminiu sò iniettati per furmà una zona di doping di tipu P, è ricotti per attivà l'ioni d'aluminiu impiantati.
U filmu d'ossidu hè eliminatu, l'ioni d'azotu sò iniettati in una regione specifica di a regione di doping di tipu P per furmà una regione conduttiva di tipu N di u drenaggiu è di a fonte, è l'ioni d'azotu impiantati sò ricotti per attivalli.
☆Passu 3: Fate a griglia
Fate a griglia. In a zona trà a fonte è u drenaje, u stratu d'ossidu di a porta hè preparatu da un prucessu d'ossidazione à alta temperatura, è u stratu d'elettrodu di a porta hè dipusitatu per furmà a struttura di cuntrollu di a porta.
☆Passu 4: Creazione di strati di passivazione
U stratu di passivazione hè fattu. Deposite un stratu di passivazione cù bone caratteristiche d'isolamentu per impedisce a rottura interelettrodica.
☆Passu 5: Fate l'elettrodi di drenaggiu-fonte
Fate u drenaggiu è a fonte. U stratu di passivazione hè perforatu è u metallu hè spruzzatu per furmà un drenaggiu è una fonte.
Photo Source: Xinxi Capital
Ancu s'ellu ci hè poca differenza trà u livellu di prucessu è quellu basatu annantu à u siliciu, per via di e caratteristiche di i materiali di carburu di siliciu,L'impiantu ionicu è a ricottura devenu esse realizati in un ambiente à alta temperatura(finu à 1600 ° C), l'alta temperatura affetterà a struttura reticolare di u materiale stessu, è a difficultà affetterà ancu u rendimentu.
Inoltre, per i cumpunenti MOSFET,A qualità di l'ossigenu di a porta affetta direttamente a mobilità di u canale è l'affidabilità di a porta, perchè ci sò dui tipi d'atomi di siliciu è di carbonu in u materiale di carburu di siliciu.
Dunque, hè necessariu un metudu speciale di crescita di u mediu di porta (un altru puntu hè chì u fogliu di carburo di siliciu hè trasparente, è l'allineamentu di pusizione in a fase di fotolitografia hè difficiule per u siliciu).
Dopu chì a fabricazione di u wafer hè cumpletata, u chip individuale hè tagliatu in un chip nudu è pò esse imballatu secondu u scopu. U prucessu cumunu per i dispositivi discreti hè l'imballaggio TO.
MOSFET CoolSiC™ da 650 V in un pacchettu TO-247
Foto: Infineon
U duminiu di l'automobile hà esigenze elevate di putenza è di dissipazione di u calore, è qualchì volta hè necessariu custruisce direttamente circuiti à ponte (mezu ponte o ponte cumpletu, o direttamente imballati cù diodi).
Dunque, hè spessu imballatu direttamente in moduli o sistemi. Sicondu u numeru di chip imballati in un solu modulu, a forma cumuna hè 1 in 1 (BorgWarner), 6 in 1 (Infineon), ecc., è alcune cumpagnie utilizanu un schema parallelu à un solu tubu.
Vipera di Borgwarner
Supporta u raffreddamentu à acqua à doppia faccia è u SiC-MOSFET
Moduli MOSFET Infineon CoolSiC™
À u cuntrariu di u siliciu,I moduli di carburo di siliciu funzionanu à una temperatura più alta, circa 200 ° C.
A temperatura di fusione di a saldatura dolce tradiziunale hè bassa, ùn pò micca risponde à i requisiti di temperatura. Dunque, i moduli di carburo di siliciu utilizanu spessu u prucessu di saldatura di sinterizazione d'argentu à bassa temperatura.
Dopu chì u modulu hè cumpletatu, pò esse applicatu à u sistema di pezzi.
Cuntrollu di mutore Tesla Model 3
U chip nudu vene da ST, pacchettu sviluppatu da sè stessu è sistema di trasmissione elettrica
☆02 Statu di l'applicazione di SiC ?
In u duminiu di l'automobile, i dispusitivi di putenza sò aduprati principalmente inDCDC, OBC, inverter di motori, inverter di climatizzazione elettrica, ricarica wireless è altre partichì necessitanu una cunversione rapida AC/DC (DCDC agisce principalmente cum'è un interruttore rapidu).
Foto: BorgWarner
In paragone cù i materiali à basa di siliciu, i materiali SIC anu una qualità più elevata.forza di u campu di rottura di valanga critica(3×10⁶V/cm),megliu cunduttività termica(49W/mK) èbanda di banda più larga(3,26 eV).
Più larga hè a lacuna di banda, più chjuca hè a corrente di dispersione è più alta hè l'efficienza. Più bona hè a cunduttività termica, più alta hè a densità di corrente. Più forte hè u campu criticu di rottura di valanga, più pò esse migliurata a resistenza di tensione di u dispusitivu.
Dunque, in u campu di l'alta tensione à bordu, i MOSFET è i SBD preparati da materiali di carburo di siliciu per rimpiazzà a cumminazione esistente di IGBT è FRD à basa di siliciu ponu migliurà efficacemente a putenza è l'efficienza,in particulare in scenarii d'applicazione ad alta frequenza per riduce e perdite di commutazione.
Attualmente, hè più prubabile di ottene applicazioni à grande scala in inverter di motori, seguitati da OBC è DCDC.
Piattaforma di tensione 800V
In a piattaforma di tensione 800V, u vantaghju di l'alta frequenza face chì l'imprese sianu più propensi à sceglie a suluzione SiC-MOSFET. Dunque, a maiò parte di l'attuale pianificazione di cuntrollu elettronicu 800V SiC-MOSFET.
A pianificazione à livellu di piattaforma includeE-GMP mudernu, GM Otenergy - campu di pickup, Porsche PPE, è Tesla EPA.À parte i mudelli di piattaforma Porsche PPE chì ùn portanu micca esplicitamente SiC-MOSFET (u primu mudellu hè IGBT à basa di silice), altre piattaforme di veiculi aduttanu schemi SiC-MOSFET.
Piattaforma energetica Universale Ultra
A pianificazione di u mudellu 800V hè di più,a marca Great Wall Salon Jiagirong, a versione Beiqi pole Fox S HI, a vittura ideale S01 è W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 hà dettu chì purterà a piattaforma 800V, in più di BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen hà ancu dettu chì a tecnulugia 800V hè in ricerca.
Da a situazione di l'ordini di 800V ottenuti da i fornitori di Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics, è Huichuantutti l'ordini annunziati di trasmissione elettrica di 800V.
Piattaforma di tensione 400V
In a piattaforma di tensione 400V, SiC-MOSFET hè principalmente in cunsiderazione di alta putenza è densità di putenza è alta efficienza.
Cum'è u mutore Tesla Model 3\Y chì hè statu pruduttu in massa avà, a putenza di piccu di u mutore BYD Hanhou hè di circa 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW), NIO aduprerà ancu prudutti SiC-MOSFET à partesi da ET7 è l'ET5 chì serà listatu più tardi. A putenza di piccu hè di 240 kW (ET5 210 kW).
Inoltre, da u puntu di vista di l'alta efficienza, alcune imprese stanu ancu esplorendu a fattibilità di i prudutti SiC-MOSFET à inundazione ausiliaria.
Data di publicazione: 08 lugliu 2023
