Am Verglach mat Silizium-baséierte Leeschtungshallefleeder hunn SiC (Siliziumkarbid) Leeschtungshallefleeder bedeitend Virdeeler wat d'Schaltfrequenz, de Verloscht, d'Hëtztofleedung, d'Miniaturiséierung, asw. ugeet.
Mat der grousser Produktioun vu Siliziumcarbid-Inverter duerch Tesla hunn och méi Firmen ugefaang Siliziumcarbid-Produkter ze landen.
SiC ass sou "erstaunlech", wéi gouf et iwwerhaapt hiergestallt? Wat sinn d'Uwendungsméiglechkeeten elo? Kucke mer emol!
01 ☆ Gebuert vun engem SiC
Wéi aner Leeschtungshalbleiter enthält d'SiC-MOSFET IndustrieketteD'Verbindung tëscht laange Kristaller – Substrat – Epitaxie – Design – Fabrikatioun – Verpackung.
Laang Kristall
Wärend der laanger Kristallverbindung, am Géigesaz zu der Virbereedung vun der Tira-Method, déi vum Eenkristallsilizium benotzt gëtt, benotzt Siliziumcarbid haaptsächlech d'physikalesch Gastransportmethod (PVT, och bekannt als verbessert Lly oder Somkristallsublimatiounsmethod), an Ergänzunge vun der Héichtemperaturchemescher Gasoflagerungsmethod (HTCVD).
☆ Kär Schrëtt
1. Kuelensäurehalteg fest Rohmaterial;
2. Nom Erhëtzen gëtt de feste Karbidstoff zu engem Gas;
3. Gas beweegt sech op d'Uewerfläch vum Keimkristall;
4. Gas wiisst op der Uewerfläch vum Keimkristall zu engem Kristall.
Bildquell: „Technesche Punkt fir d'Demontage vu PVT-Wuesstums-Siliziumkarbid“
Eng aner Handwierkskonscht huet am Verglach mat der Silikonbasis zwou grouss Nodeeler verursaacht:
Éischtens ass d'Produktioun schwéier an den Ertrag ass niddreg.D'Temperatur vun der Kuelestoffbaséierter Gasphas klëmmt iwwer 2300 °C an den Drock ass 350 MPa. Déi ganz donkel Këscht gëtt duerchgefouert, an et ass einfach, Onreinheeten ze vermëschen. D'Ausbezuelung ass méi niddreg wéi déi vun der Siliziumbasis. Wat méi grouss den Duerchmiesser, wat méi niddreg d'Ausbezuelung ass.
Déi zweet ass e luese Wuesstem.D'Verwaltung vun der PVT-Method ass ganz lues, d'Geschwindegkeet ass ongeféier 0,3-0,5 mm/h, an et kann 2 cm an 7 Deeg wuessen. De Maximum kann nëmmen 3-5 cm wuessen, an den Duerchmiesser vum Kristallbarr ass meeschtens 4 Zoll an 6 Zoll.
Den 72H op Siliziumbasis kann eng Héicht vun 2-3 m wuessen, mat Duerchmiesser meeschtens 6 Zoll an enger neier Produktiounskapazitéit vun 8 Zoll fir 12 Zoll.Dofir gëtt Siliziumcarbid dacks Kristallbarr genannt, a Silizium gëtt zu engem Kristallstäbchen.
Karbid-Silizium-Kristallbarren
Substrat
Nodeems de laange Kristall fäerdeg ass, geet en an de Produktiounsprozess vum Substrat.
Nom gezielte Schnëtt, Schleifen (Grovschleifen, Feinschleifen), Polieren (mechanescht Polieren), Ultrapräzis Polieren (chemesch-mechanescht Polieren) gëtt de Siliziumcarbid-Substrat kritt.
De Substrat spillt haaptsächlechd'Roll vun der kierperlecher Ënnerstëtzung, der thermescher Konduktivitéit a Konduktivitéit.D'Schwieregkeet vun der Veraarbechtung läit doran, datt de Siliziumcarbidmaterial héich, knusprech a stabil chemesch Eegeschafte huet. Dofir sinn traditionell Veraarbechtungsmethoden op Siliziumbasis net fir Siliziumcarbidsubstrater gëeegent.
D'Qualitéit vum Schnëtteffekt beaflosst direkt d'Leeschtung an d'Auslastungseffizienz (Käschten) vu Siliziumcarbidprodukter, dofir ass et erfuerderlech, datt se kleng, gläichméisseg déck a mat geréngem Schnëttverbrauch sinn.
Am Moment,4-Zoll an 6-Zoll benotzen haaptsächlech Multi-Line Schneidausrüstung,Siliziumkristaller a dënn Scheiwen mat enger Déckt vun net méi wéi 1 mm schneiden.
Schema fir méi Linnen ze schneiden
An Zukunft, mat der Gréisst vun de karboniséierte Siliziumwaferen, wäert d'Ufuerderung un d'Materialnotzung eropgoen, an Technologien wéi Laserschneiden a Kaltseparatioun wäerten och lues a lues ugewannt ginn.
Am Joer 2018 huet Infineon d'Siltectra GmbH iwwerholl, déi en innovativen Prozess entwéckelt huet, deen als Kaltkrackung bekannt ass.
Am Verglach mam traditionelle Multi-Drot-Schneidprozess Verloscht vun 1/4,Beim Kaltkrackprozess ass nëmmen 1/8 vum Siliziumcarbidmaterial verluer gaangen.
Erweiderung
Well de Siliziumcarbidmaterial keng Stroumversuergungsapparater direkt um Substrat maache kann, sinn verschidden Apparater op der Verlängerungsschicht erfuerderlech.
Dofir gëtt, nodeems d'Produktioun vum Substrat ofgeschloss ass, eng spezifesch Eenkristall-Dënnfilm duerch den Extensiounsprozess um Substrat gewuess.
Am Moment gëtt haaptsächlech d'chemesch Gasdepositiounsmethod (CVD) benotzt.
Design
Nodeems de Substrat hiergestallt ass, geet et an d'Produktdesignphase.
Fir MOSFETs läit de Fokus vum Designprozess op der Konstruktioun vun der Groove,op der enger Säit fir Patentverletzungen ze vermeiden(Infineon, Rohm, ST, etc., hunn e Patent-Layout), an op der anerer Säit zud'Produktiounskäschten an d'Herstellungsfäegkeet decken.
Waferfabrikatioun
Nodeems den Design vum Produkt fäerdeg ass, geet et an d'Waferproduktiounsphase,an de Prozess ass ongeféier ähnlech wéi dee vu Silizium, deen haaptsächlech déi folgend 5 Schrëtt huet.
☆Schrëtt 1: D'Mask injizéieren
Eng Schicht Siliziumoxid (SiO2)-Film gëtt hiergestallt, de Photoresist gëtt beschichtet, de Photoresistmuster gëtt duerch d'Schrëtt vun Homogeniséierung, Beliichtung, Entwécklung usw. geformt, an d'Figur gëtt duerch den Ätzprozess op den Oxidfilm iwwerdroen.
☆Schrëtt 2: Ionenimplantatioun
De maskéierte Siliziumcarbid-Wafer gëtt an en Ionenimplantator placéiert, wou Aluminiumionen injizéiert ginn, fir eng P-Typ Dotierzon ze bilden, an dann geglüht, fir déi implantéiert Aluminiumionen z'aktivéieren.
Den Oxidfilm gëtt ewechgeholl, Stéckstoffionen ginn an eng spezifesch Regioun vun der P-Typ Dotierungsregioun injizéiert, fir eng N-Typ leitend Regioun vum Drain a Source ze bilden, an déi implantéiert Stéckstoffionen ginn geglüht, fir se z'aktivéieren.
☆Schrëtt 3: Maacht d'Raster
Maacht de Raster. Am Beräich tëscht der Quell an dem Drain gëtt d'Gate-Oxidatiounsschicht duerch en Héichtemperatur-Oxidatiounsprozess virbereet, an d'Gate-Elektrodeschicht gëtt ofgesat fir d'Gate-Kontrollstruktur ze bilden.
☆Schrëtt 4: Passivatiounsschichten erstellen
Eng Passivatiounsschicht gëtt gemaach. Eng Passivatiounsschicht mat gudden Isolatiounseigenschaften ofleeën, fir en Duerchbroch tëscht den Elektroden ze verhënneren.
☆Schrëtt 5: Drain-Source Elektroden maachen
Maacht en Drain an eng Quell. D'Passivatiounsschicht gëtt perforéiert a Metall gëtt gesputtert fir en Drain an eng Quell ze bilden.
Foto Quell: Xinxi Capital
Och wann et wéineg Ënnerscheed tëscht dem Prozessniveau an dem Siliziumbaséierten gëtt, wéinst den Eegeschafte vu Siliziumcarbidmaterialien,Ionenimplantatioun an -glühung mussen an enger Ëmwelt mat héijer Temperatur duerchgefouert ginn(bis zu 1600 °C) beaflosst déi héich Temperatur d'Gitterstruktur vum Material selwer, an d'Schwieregkeet beaflosst och den Ausbezug.
Zousätzlech, fir MOSFET Komponenten,D'Qualitéit vum Gate-Sauerstoff beaflosst direkt d'Kanalmobilitéit an d'Zouverlässegkeet vum Gate., well et zwou Zorte vu Silizium- a Kuelestoffatome am Siliziumcarbidmaterial gëtt.
Dofir ass eng speziell Gate-Medium-Wuesstumsmethod noutwendeg (en anere Punkt ass, datt d'Siliciumcarbidplack transparent ass, an d'Positiounsausriichtung an der Photolithographie-Stuf schwéier fir Silizium ass).
Nodeems d'Waferfabrikatioun fäerdeg ass, gëtt den eenzelne Chip zu engem blanke Chip geschnidden a kann no sengem Zweck verpackt ginn. De gängige Prozess fir diskret Komponenten ass TO-Verpackung.
650V CoolSiC™ MOSFETs am TO-247-Gehäuse
Foto: Infineon
Den Automobilsecteur huet héich Ufuerderungen u Leeschtungs- a Wärmeofleedung, an heiansdo ass et néideg, direkt Bréckschaltkreesser ze bauen (Hallefbréck oder Vollbréck, oder direkt mat Dioden verpackt).
Dofir gëtt et dacks direkt a Moduler oder Systemer verpackt. Jee no der Unzuel vun de Chips, déi an engem eenzege Modul verpackt sinn, ass déi üblech Form 1 an 1 (BorgWarner), 6 an 1 (Infineon), etc., an e puer Firmen benotzen e parallelt Schema mat engem eenzege Réier.
Borgwarner Viper
Ënnerstëtzt duebelsäiteg Waasserkillung a SiC-MOSFET
Infineon CoolSiC™ MOSFET Moduler
Am Géigesaz zu Silizium,Siliziumkarbidmoduler funktionéieren bei enger méi héijer Temperatur, ongeféier 200 °C.
D'Schmelztemperatur vum traditionelle mëllen Löt ass niddreg an erfëllt d'Temperaturufuerderungen net. Dofir gëtt bei Siliziumkarbidmoduler dacks e niddrege Sëlwersinterungsschweißprozess benotzt.
Nodeems de Modul fäerdeg ass, kann en op den Deelersystem ugewannt ginn.
Tesla Model 3 Motorsteuerung
De blanke Chip kënnt vun ST, engem selwer entwéckelte Pak an engem elektresche Undriffssystem
☆02 Applikatiounsstatus vu SiC?
Am Automobilsecteur ginn elektresch Apparater haaptsächlech agesatDCDC, OBC, Motorinverter, Klimaanlaginverter, drahtlos Laden an aner Deelerdéi eng séier AC/DC-Konversioun erfuerderen (DCDC agéiert haaptsächlech als e schnelle Schalter).
Foto: BorgWarner
Am Verglach mat Materialien op Siliziumbasis hunn SIC-Materialien méi héichkritesch Lawinenduerchbrochfeldstäerkt(3×106V/cm),besser thermesch Konduktivitéit(49W/mK) anméi breet Bandlück(3,26 eV).
Wat méi grouss d'Bandlück ass, wat méi kleng de Leckstroum ass an wat méi héich d'Effizienz ass. Wat besser d'Wärmeleitfäegkeet ass, wat méi héich d'Stroumdicht ass. Wat méi staark dat kritescht Lawinenduerchbrochfeld ass, wat de Spannungswidderstand vum Apparat verbessert ka ginn.
Dofir kënnen am Beräich vun der onboard Héichspannung MOSFETs an SBD, déi aus Siliziumcarbidmaterialien hiergestallt ginn, fir déi existent Siliziumbaséiert IGBT- a FRD-Kombinatioun z'ersetzen, d'Leeschtung an d'Effizienz effektiv verbesseren,besonnesch an héichfrequenten Applikatiounsszenarien, fir Schaltverloschter ze reduzéieren.
Am Moment ass et am wahrscheinlechsten, datt et grouss Uwendungen a Motorwechselrichter erreecht, gefollegt vun OBC an DCDC.
800V Spannungsplattform
Op der 800V Spannungsplattform mécht de Virdeel vun der héijer Frequenz d'Entreprisen méi geneigt, eng SiC-MOSFET-Léisung ze wielen. Dofir plangen déi meescht vun den aktuellen 800V elektronesche Kontrollsystemer SiC-MOSFET.
Planung op Plattformniveau ëmfaasstmodern E-GMP, GM Otenergy – Pickup-Feld, Porsche PSA an Tesla EPA.Ausser Porsche PPE Plattformmodeller, déi keen explizit SiC-MOSFET hunn (dat éischt Modell ass en IGBT op Siliziumdioxid-baséierten Basis), adoptéieren aner Gefierplattforme SiC-MOSFET-Schemaen.
Universal Ultra Energieplattform
800V Modellplanung ass méi,D'Mark Jiagirong vun der Great Wall Salon, d'Beiqi Pole Fox S HI Versioun, den idealen Auto S01 an W01, de Xiaopeng G9, de BMW NK1Den Changan Avita E11 sot, datt en d'800V-Plattform wäert hunn, zousätzlech zu BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag, a Volkswagen sot och, datt d'800V-Technologie an der Fuerschung benotzt gëtt.
Aus der Situatioun vun 800V Bestellunge vun Tier1 Fournisseuren,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics an Huichuanall ugekënnegt Bestellunge fir 800V Elektroundriff.
400V Spannungsplattform
An der 400V Spannungsplattform gëtt de SiC-MOSFET haaptsächlech mat héijer Leeschtung a Leeschtungsdicht an héijer Effizienz berécksiichtegt.
Wéi zum Beispill den Tesla Model 3\Y Motor, deen elo a Masse produzéiert gëtt, huet d'Spëtzeleeschtung vum BYD Hanhou Motor ongeféier 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW), an NIO wäert och SiC-MOSFET Produkter benotzen, ugefaange mat ET7 an dem ET5, deen spéider opgezielt gëtt. D'Spëtzeleeschtung ass 240 kW (ET5 210 kW).
Zousätzlech ënnersichen e puer Entreprisen aus der Perspektiv vun héijer Effizienz och d'Machbarkeet vun Hëllefsmëttel-Iwwerflutung vu SiC-MOSFET-Produkter.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 08. Juli 2023
