Comparados com os semicondutores de potência baseados em silício, os semicondutores de potência de SiC (carboneto de silício) têm vantagens significativas em frequência de comutação, perda, dissipação de calor, miniaturização, etc.
Com a produção em larga escala de inversores de carboneto de silício pela Tesla, mais empresas também começaram a lançar produtos de carboneto de silício.
O SiC é tão "incrível", como foi feito? Quais são as aplicações agora? Vamos ver!
01 ☆ Nascimento de um SiC
Como outros semicondutores de potência, a cadeia da indústria SiC-MOSFET incluio longo elo cristal – substrato – epitaxia – design – fabricação – embalagem.
Cristal longo
Durante o longo enlace cristalino, diferentemente da preparação do método Tira usado pelo silício monocristalino, o carboneto de silício adota principalmente o método de transporte físico de gás (PVT, também conhecido como Lly melhorado ou método de sublimação de cristal semente), suplementos do método de deposição química de gás em alta temperatura (HTCVD).
☆ Etapa principal
1. Matéria-prima sólida carbônica;
2. Após o aquecimento, o sólido de carboneto se torna gás;
3. O gás se move para a superfície do cristal semente;
4. O gás cresce na superfície do cristal semente, formando um cristal.
Fonte da imagem: “Ponto técnico para desmontar o carboneto de silício de crescimento PVT”
O artesanato diferenciado causou duas grandes desvantagens em comparação à base de silício:
Primeiro, a produção é difícil e o rendimento é baixo.A temperatura da fase gasosa à base de carbono ultrapassa 2300 °C e a pressão é de 350 MPa. Toda a camada escura é preenchida e é facilmente misturada com impurezas. O rendimento é menor do que o da base de silício. Quanto maior o diâmetro, menor o rendimento.
O segundo é o crescimento lento.A governança do método PVT é muito lenta, com uma velocidade de cerca de 0,3-0,5 mm/h, e pode crescer 2 cm em 7 dias. O crescimento máximo é de apenas 3-5 cm, e o diâmetro do lingote de cristal é geralmente de 4 a 6 polegadas.
O 72H, feito de silício, pode atingir uma altura de 2 a 3 m, com diâmetros na maioria de 6 polegadas e nova capacidade de produção de 8 polegadas para 12 polegadas.Portanto, o carboneto de silício é frequentemente chamado de lingote de cristal, e o silício se torna um bastão de cristal.
Lingotes de cristal de carboneto de silício
Substrato
Após a conclusão do cristal longo, ele entra no processo de produção do substrato.
Após corte direcionado, retificação (retificação grosseira, retificação fina), polimento (polimento mecânico), polimento de ultraprecisão (polimento químico-mecânico), o substrato de carboneto de silício é obtido.
O substrato desempenha principalmenteo papel do suporte físico, condutividade térmica e condutividade.A dificuldade do processamento reside no fato de o material de carboneto de silício apresentar propriedades químicas elevadas, crocantes e estáveis. Portanto, os métodos tradicionais de processamento à base de silício não são adequados para substratos de carboneto de silício.
A qualidade do efeito de corte afeta diretamente o desempenho e a eficiência de utilização (custo) dos produtos de carboneto de silício, por isso é necessário que sejam pequenos, com espessura uniforme e baixo corte.
Atualmente,4 e 6 polegadas usam principalmente equipamentos de corte multilinha,cortar cristais de silício em fatias finas com espessura não superior a 1 mm.
Diagrama esquemático de corte multilinha
No futuro, com o aumento do tamanho dos wafers de silício carbonizados, os requisitos de utilização de material aumentarão, e tecnologias como fatiamento a laser e separação a frio também serão gradualmente aplicadas.
Em 2018, a Infineon adquiriu a Siltectra GmbH, que desenvolveu um processo inovador conhecido como craqueamento a frio.
Comparado com o processo tradicional de corte multifio, perda de 1/4,o processo de craqueamento a frio perdeu apenas 1/8 do material de carboneto de silício.
Extensão
Como o material de carboneto de silício não pode gerar dispositivos de energia diretamente no substrato, vários dispositivos são necessários na camada de extensão.
Portanto, após a conclusão da produção do substrato, uma película fina de cristal único específico é cultivada no substrato por meio do processo de extensão.
Atualmente, o processo mais utilizado é o de deposição química de gás (CVD).
Projeto
Depois que o substrato é feito, ele entra na fase de design do produto.
Para MOSFET, o foco do processo de design é o design da ranhura,por um lado, para evitar a violação de patentes(Infineon, Rohm, ST, etc., têm layout patenteado) e, por outro lado,atender aos custos de fabricação e viabilidade de fabricação.
Fabricação de wafers
Após a conclusão do projeto do produto, ele entra na fase de fabricação do wafer,e o processo é mais ou menos semelhante ao do silício, que tem basicamente as 5 etapas a seguir.
☆Etapa 1: Injete a máscara
Uma camada de filme de óxido de silício (SiO2) é feita, o fotorresiste é revestido, o padrão do fotorresiste é formado através das etapas de homogeneização, exposição, revelação, etc., e a figura é transferida para o filme de óxido através do processo de gravação.
☆Etapa 2: Implantação iônica
O wafer de carboneto de silício mascarado é colocado em um implantador de íons, onde íons de alumínio são injetados para formar uma zona de dopagem do tipo P e recozidos para ativar os íons de alumínio implantados.
O filme de óxido é removido, íons de nitrogênio são injetados em uma região específica da região de dopagem do tipo P para formar uma região condutora do tipo N do dreno e da fonte, e os íons de nitrogênio implantados são recozidos para ativá-los.
☆Passo 3: Faça a grade
Crie a grade. Na área entre a fonte e o dreno, a camada de óxido de comporta é preparada por um processo de oxidação em alta temperatura, e a camada de eletrodo de comporta é depositada para formar a estrutura de controle da comporta.
☆Etapa 4: Criação de camadas de passivação
É criada uma camada de passivação. Deposite uma camada de passivação com boas características de isolamento para evitar a quebra entre os eletrodos.
☆Etapa 5: Faça eletrodos de dreno-fonte
Crie um dreno e uma fonte. A camada de passivação é perfurada e o metal é pulverizado para formar um dreno e uma fonte.
Fonte da foto: Xinxi Capital
Embora haja pouca diferença entre o nível do processo e o baseado em silício, devido às características dos materiais de carboneto de silício,a implantação iônica e o recozimento precisam ser realizados em um ambiente de alta temperatura(até 1600 ° C), a alta temperatura afetará a estrutura reticular do próprio material e a dificuldade também afetará o rendimento.
Além disso, para componentes MOSFET,a qualidade do oxigênio do gate afeta diretamente a mobilidade do canal e a confiabilidade do gate, porque há dois tipos de átomos de silício e carbono no material de carboneto de silício.
Portanto, é necessário um método especial de crescimento do meio de porta (outro ponto é que a folha de carboneto de silício é transparente e o alinhamento da posição no estágio da fotolitografia é difícil para o silício).
Após a conclusão da fabricação do wafer, o chip individual é cortado em um único chip e pode ser embalado de acordo com a finalidade. O processo comum para dispositivos discretos é o empacotamento TO.
MOSFETs CoolSiC™ de 650 V em encapsulamento TO-247
Foto: Infineon
O setor automotivo tem altos requisitos de potência e dissipação de calor, e às vezes é necessário construir circuitos de ponte diretamente (meia ponte ou ponte completa, ou encapsulados diretamente com diodos).
Por isso, muitas vezes é empacotado diretamente em módulos ou sistemas. De acordo com o número de chips empacotados em um único módulo, o formato comum é 1 em 1 (BorgWarner), 6 em 1 (Infineon), etc., e algumas empresas utilizam um esquema paralelo de tubo único.
Víbora Borgwarner
Suporta resfriamento de água de dupla face e SiC-MOSFET
Módulos MOSFET Infineon CoolSiC™
Ao contrário do silício,Os módulos de carboneto de silício operam em uma temperatura mais alta, cerca de 200 °C.
A temperatura de fusão da solda macia tradicional é baixa, o que não atende aos requisitos de temperatura. Portanto, os módulos de carboneto de silício frequentemente utilizam o processo de soldagem por sinterização de prata em baixa temperatura.
Após a conclusão do módulo, ele pode ser aplicado ao sistema de peças.
Controlador de motor Tesla Model3
O chip básico vem da ST, pacote de desenvolvimento próprio e sistema de acionamento elétrico
☆02 Status da aplicação do SiC?
No setor automotivo, os dispositivos de energia são usados principalmente emDCDC, OBC, inversores de motor, inversores de ar condicionado elétrico, carregamento sem fio e outras peçasque exigem conversão rápida CA/CC (CC/CC atua principalmente como um interruptor rápido).
Foto: BorgWarner
Comparados com os materiais à base de silício, os materiais SIC têm maiorintensidade do campo de ruptura de avalanche crítica(3×106V/cm),melhor condutividade térmica(49W/mK) emaior lacuna de banda(3,26 eV).
Quanto maior a lacuna de banda, menor a corrente de fuga e maior a eficiência. Quanto melhor a condutividade térmica, maior a densidade de corrente. Quanto mais forte for o campo crítico de ruptura por avalanche, maior a resistência à tensão do dispositivo.
Portanto, no campo de alta tensão embarcada, MOSFETs e SBD preparados por materiais de carboneto de silício para substituir a combinação existente de IGBT e FRD à base de silício podem efetivamente melhorar a potência e a eficiência,especialmente em cenários de aplicação de alta frequência para reduzir perdas de comutação.
Atualmente, é mais provável que ele alcance aplicações em larga escala em inversores de motores, seguido por OBC e DCDC.
Plataforma de tensão de 800 V
Na plataforma de tensão de 800 V, a vantagem da alta frequência torna as empresas mais propensas a optar pela solução SiC-MOSFET. Portanto, a maior parte do planejamento atual de controle eletrônico de 800 V utiliza SiC-MOSFET.
O planejamento em nível de plataforma incluiE-GMP moderno, GM Otenergy – campo de coleta, Porsche PPE e Tesla EPA.Com exceção dos modelos de plataforma Porsche PPE que não carregam explicitamente SiC-MOSFET (o primeiro modelo é IGBT baseado em sílica), outras plataformas de veículos adotam esquemas SiC-MOSFET.
Plataforma de energia universal Ultra
O planejamento do modelo de 800 V é mais,a marca Great Wall Salon Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI versão, carro ideal S01 e W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 disse que levará a plataforma de 800V, além de BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen também disse que a tecnologia de 800V está em pesquisa.
Da situação dos pedidos de 800V obtidos pelos fornecedores Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics e Huichuantodos os pedidos anunciados de acionamento elétrico de 800 V.
Plataforma de tensão 400V
Na plataforma de tensão de 400 V, o SiC-MOSFET considera principalmente alta potência, densidade de potência e alta eficiência.
Assim como o motor Tesla Model 3\Y, produzido em massa atualmente, a potência máxima do motor BYD Hanhou é de cerca de 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW). A NIO também utilizará produtos SiC-MOSFET a partir do ET7 e do ET5, que serão listados posteriormente. A potência máxima é de 240 kW (ET5 210 kW).
Além disso, da perspectiva de alta eficiência, algumas empresas também estão explorando a viabilidade de produtos SiC-MOSFET de inundação auxiliar.
Horário da publicação: 08/07/2023
