Í samanburði við aflgjafara úr kísil hafa aflgjafar úr SiC (kísilkarbíði) verulega kosti hvað varðar rofatíðni, tap, varmaleiðni, smækkun o.s.frv.
Með stórfelldri framleiðslu Tesla á kísilkarbíð inverterum hafa fleiri fyrirtæki einnig byrjað að landa kísilkarbíðvörum.
SiC er svo „ótrúlegt“, hvernig í ósköpunum var það búið til? Hver eru notkunarmöguleikarnir núna? Við skulum sjá!
01 ☆ Fæðing SiC
Eins og aðrir aflgjafar hálfleiðarar, inniheldur SiC-MOSFET iðnaðarkeðjanTengslin milli langra kristal – undirlags – epitaxíu – hönnunar – framleiðslu – umbúða.
Langur kristal
Ólíkt Tira-aðferðinni sem notuð er fyrir einkristallað kísill, notar kísillkarbíð aðallega eðlisfræðilega gasflutningsaðferð (PVT, einnig þekkt sem bætt Lly eða frækristalla sublimationsaðferð) og viðbótaraðferð við háhitaefnafræðilega gasútfellingu (HTCVD) við undirbúning.
☆ Kjarnaskref
1. Kolefnisfast hráefni;
2. Eftir upphitun verður fasta karbíðið að gasi;
3. Gas færist upp á yfirborð frækristallsins;
4. Gas vex á yfirborði frækristallsins og myndar kristal.
Mynd: „Tæknileg atriði til að taka í sundur PVT vaxtar kísillkarbíð“
Mismunandi handverk hefur valdið tveimur helstu ókostum samanborið við sílikongrunn:
Í fyrsta lagi er framleiðslan erfið og uppskeran lítil.Hitastig kolefnisbundins gasfasa fer yfir 2300°C og þrýstingurinn er 350 MPa. Allur dökki kassinn er notaður og auðvelt er að blanda óhreinindum við hann. Uppskeran er lægri en kísillbasinn. Því stærra sem þvermálið er, því lægri er uppskeran.
Annað er hægur vöxtur.Stjórnun PVT aðferðarinnar er mjög hæg, hraðinn er um 0,3-0,5 mm/klst. og hún getur vaxið um 2 cm á 7 dögum. Hámarksvöxturinn er 3-5 cm og þvermál kristalstöngunnar er að mestu leyti 4 tommur og 6 tommur.
72H, sem er byggt á kísil, getur orðið 2-3 metra hár, með þvermál að mestu leyti 6 tommur og ný framleiðslugeta er 8 tommur fyrir 12 tommur.Þess vegna er kísillkarbíð oft kallað kristalstangir og kísill verður að kristalstöng.
Karbíð kísill kristalstönglar
Undirlag
Eftir að langi kristallinn er tilbúinn fer hann inn í framleiðsluferli undirlagsins.
Eftir markvissa skurð, slípun (grófslípun, fínslípun), fæst kísilkarbíð undirlag.
Undirlagið spilar aðallegahlutverk líkamlegs stuðnings, varmaleiðni og leiðni.Erfiðleikarnir við vinnsluna eru að kísilkarbíðefnið hefur mikla efnafræðilega eiginleika, er stökkt og stöðugt. Þess vegna henta hefðbundnar kísilvinnsluaðferðir ekki fyrir kísilkarbíð undirlag.
Gæði skurðaráhrifanna hafa bein áhrif á afköst og nýtingarhagkvæmni (kostnað) kísilkarbíðafurða, þannig að þær þurfa að vera litlar, með jafna þykkt og með litla skurðargetu.
Eins og er,4 tommu og 6 tommu nota aðallega fjöllínu skurðarbúnað,að skera kísilkristalla í þunnar sneiðar sem eru ekki meira en 1 mm þykkar.
Skýringarmynd af mörgum línum fyrir skurð
Í framtíðinni, með aukinni stærð kolefnisblandaðra kísilþynna, mun þörfin fyrir efnisnýtingu aukast og tækni eins og leysiskurður og köld aðskilnaður mun einnig smám saman verða notuð.
Árið 2018 keypti Infineon Siltectra GmbH, sem þróaði nýstárlega aðferð sem kallast kalt sprungumyndun.
Í samanburði við hefðbundna fjölvíra skurðarferlið er tapið 1/4,Við kalda sprunguferlið tapaðist aðeins 1/8 af kísilkarbíðefninu.
Viðbót
Þar sem kísilkarbíðefnið getur ekki búið til aflgjafa beint á undirlagið þarf ýmis tæki á framlengingarlaginu.
Þess vegna, eftir að framleiðslu undirlagsins er lokið, er sérstök einkristallaþunn filma ræktuð á undirlaginu með framlengingarferlinu.
Sem stendur er aðallega notuð efnafræðileg gasútfellingaraðferð (CVD).
Hönnun
Eftir að undirlagið er búið til fer það í vöruhönnunarstigið.
Fyrir MOSFET er áherslan í hönnunarferlinu hönnun grópsins,annars vegar til að koma í veg fyrir brot á einkaleyfi(Infineon, Rohm, ST, o.fl., hafa einkaleyfisútlit), og hins vegar tilmæta framleiðsluhæfni og framleiðslukostnaði.
Skífuframleiðsla
Eftir að vöruhönnun er lokið fer hún í framleiðslu á skífum,og ferlið er nokkurn veginn svipað og hjá sílikoni, sem hefur aðallega eftirfarandi 5 skref.
☆Skref 1: Sprautið grímunni
Lag af kísilloxíð (SiO2) filmu er búið til, ljósþolið er húðað, ljósþolsmynstrið er myndað með einsleitni, lýsingu, framköllun o.s.frv., og myndin er flutt yfir á oxíðfilmuna með etsunarferlinu.
☆Skref 2: Jónígræðsla
Grímaða kísilkarbíðskífan er sett í jónaígræðslutæki þar sem áljónum er sprautað inn til að mynda P-gerð lyfjasetningarsvæði og glóðuð til að virkja ígræddu áljónirnar.
Oxíðfilman er fjarlægð, köfnunarefnisjónir eru sprautaðar inn í tiltekið svæði á P-gerð lyfjamengissvæðinu til að mynda N-gerð leiðandi svæði í frárennslinu og uppsprettunni, og ígræddu köfnunarefnisjónirnar eru glóðaðar til að virkja þær.
☆Skref 3: Búðu til ristina
Búið til ristina. Á svæðinu milli upptökunnar og frárennslisrásarinnar er hliðoxíðlagið búið til með háhita oxunarferli og hliðarrafskautslagið er sett niður til að mynda hliðstýringarbyggingu.
☆Skref 4: Að búa til óvirkjunarlög
Óvirkjunarlag er búið til. Setjið óvirkjunarlag með góðum einangrunareiginleikum til að koma í veg fyrir bilun milli rafskautanna.
☆Skref 5: Búið til frárennslisgjafarrafskaut
Búið til frárennsli og uppsprettu. Götun á óvirkjunarlaginu er gerð og málmur er spútraður til að mynda frárennsli og uppsprettu.
Myndheimild: Xinxi Capital
Þó að lítill munur sé á ferlisstigi og kísillbaseruðu efni, vegna eiginleika kísillkarbíðefna,Jónígræðsla og glæðing þarf að fara fram í umhverfi með miklum hita(allt að 1600°C) mun hár hiti hafa áhrif á grindarbyggingu efnisins sjálfs og erfiðleikinn mun einnig hafa áhrif á afköstin.
Að auki, fyrir MOSFET íhluti,Gæði súrefnis í hliðinu hefur bein áhrif á hreyfanleika rásarinnar og áreiðanleika hliðsins., vegna þess að það eru tvenns konar kísill og kolefnisatóm í kísilkarbíðefninu.
Þess vegna er krafist sérstakrar aðferðar til að vaxtarhúða hliðarmiðilsins (annars atriði er að kísilkarbíðplatan er gegnsæ og staðsetningarstillingin á ljósritunarstigi er erfið fyrir sílikon).
Eftir að framleiðslu á skífunni er lokið er einstök örgjörvi skorinn í beran örgjörva og hægt er að pakka honum eftir tilgangi. Algengasta ferlið fyrir staka tæki er TO-pökkun.
650V CoolSiC™ MOSFET í TO-247 pakka
Mynd: Infineon
Bílaiðnaðurinn hefur miklar kröfur um afl og varmaleiðni og stundum er nauðsynlegt að smíða brúarrásir beint (hálfbrú eða heilbrú, eða pakka þær beint með díóðum).
Þess vegna er það oft pakkað beint í einingar eða kerfi. Samkvæmt fjölda flísanna sem eru pakkaðar í einni einingu er algengasta formið 1 í 1 (BorgWarner), 6 í 1 (Infineon) o.s.frv., og sum fyrirtæki nota samsíða kerfi með einni rör.
Borgwarner Viper
Styður tvíhliða vatnskælingu og SiC-MOSFET
Infineon CoolSiC™ MOSFET einingar
Ólíkt sílikoni,Kísilkarbíð einingar starfa við hærra hitastig, um 200°C.
Hefðbundið mjúklóðmálmur hefur lágt bræðslumark og getur því ekki uppfyllt hitastigskröfur. Þess vegna nota kísilkarbíð einingar oft lághitasuðuferli fyrir silfursintrun.
Eftir að einingunni er lokið er hægt að nota hana á hlutakerfið.
Tesla Model 3 mótorstýring
Berflögukerfið kemur frá ST, sjálfþróuðu pakka og rafknúnu drifkerfi
☆02 Staða umsóknar um SiC?
Í bílaiðnaðinum eru rafmagnstæki aðallega notuð íDCDC, OBC, mótorinverterar, rafmagnsloftkælingarinverterar, þráðlaus hleðsla og aðrir hlutarsem krefjast hraðrar umbreytingar á AC/DC (DCDC virkar aðallega sem hraðrofi).
Mynd: BorgWarner
Í samanburði við kísill-byggð efni hafa SIC efni hærrimikilvægur styrkur snjóflóðasviðs(3×106V/cm),betri varmaleiðni(49W/mK) ogbreiðara bandbil(3,26 eV).
Því breiðara sem bandbilið er, því minni er lekastraumurinn og því meiri er skilvirknin. Því betri sem varmaleiðnin er, því hærri er straumþéttleikinn. Því sterkari sem gagnrýnið snjóflóðasvið er, því meiri er hægt að bæta spennuviðnám tækisins.
Þess vegna, á sviði háspennu um borð, geta MOSFET og SBD, sem eru útbúnir úr kísilkarbíði, komið í stað núverandi kísilbundinna IGBT og FRD samsetninga bætt afl og skilvirkni á áhrifaríkan hátt.sérstaklega í notkunartilfellum með mikla tíðni til að draga úr rofatapi.
Eins og er er líklegt að það nái stórfelldum notkun í mótorinverterum, þar á eftir koma OBC og DCDC.
800V spennupallur
Í 800V spennukerfinu gerir kosturinn við háa tíðni fyrirtæki líklegri til að velja SiC-MOSFET lausnir. Þess vegna eru flestar núverandi 800V rafeindastýringaráætlanir SiC-MOSFET.
Áætlanagerð á vettvangsstigi felur í sérnútíma E-GMP, GM Otenergy – pallbíll, Porsche persónuhlífar og Tesla EPA.Fyrir utan Porsche PPE undirvagnsgerðir sem eru ekki sérstaklega með SiC-MOSFET (fyrsta gerðin er kísil-byggð IGBT), þá nota aðrir ökutækjapallar SiC-MOSFET kerfi.
Universal Ultra orkupallur
800V líkanskipulagning er meira,Great Wall Salon vörumerkið Jiagirong, Beiqi stöng Fox S HI útgáfan, kjörbíllinn S01 og W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11 sagði að hann muni bera 800V undirvagn, auk BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen sagði einnig að 800V tækni yrði rannsökuð.
Miðað við aðstæður 800V pantana sem Tier1 birgjar fengu,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics og Huichuanallar tilkynntar pantanir á 800V rafknúnum drifum.
400V spennupallur
Í 400V spennupallinum er SiC-MOSFET aðallega tekið tillit til mikils afls og aflþéttleika og mikillar skilvirkni.
Eins og Tesla Model 3/Y mótorinn sem hefur verið fjöldaframleiddur nú, er hámarksafl BYD Hanhou mótorsins um 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW), NIO mun einnig nota SiC-MOSFET vörur frá ET7 og ET5 sem verða taldar upp síðar. Hámarksafl er 240 kW (ET5 210 kW).
Að auki, frá sjónarhóli mikillar skilvirkni, eru sum fyrirtæki einnig að kanna hagkvæmni þess að nota viðbótarflæði SiC-MOSFET vörur.
Birtingartími: 8. júlí 2023
