Comparados aos semicondutores de potência baseados em silício, os semicondutores de potência SiC (carboneto de silício) têm vantagens significativas na 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.
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 industrial SiC-MOSFET incluio link longo cristal – substrato – epitaxia – design – fabricação – embalagem.
Cristal longo
Durante a longa ligação de cristal, ao contrário da preparação do método Tira usado pelo silício de cristal único, o carboneto de silício adota principalmente o método físico de transporte de gás (PVT, também conhecido como Lly melhorado ou método de sublimação de cristal de semente), método de deposição de gás químico de alta temperatura (HTVD ) suplementos.
☆ Etapa principal
1. Matéria-prima sólida carbônica;
2. Após o aquecimento, o sólido de carboneto torna-se gás;
3. O gás se move para a superfície do cristal-semente;
4. O gás cresce na superfície do cristal-semente e se transforma em um cristal.
Fonte da imagem: “Ponto técnico para desmontar carboneto de silício de crescimento PVT”
O artesanato diferente causou duas desvantagens principais em comparação com a base de silício:
Primeiro, a produção é difícil e o rendimento é baixo.A temperatura da fase gasosa à base de carbono cresce acima de 2300°C e a pressão é de 350MPa.Toda a caixa escura é realizada e é fácil de misturar com impurezas.O rendimento é inferior ao 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, a velocidade é de cerca de 0,3-0,5 mm/h e pode crescer 2 cm em 7 dias.O máximo pode crescer apenas 3-5 cm, e o diâmetro do lingote de cristal é principalmente de 4 e 6 polegadas.
O 72H baseado em silício pode crescer até uma altura de 2 a 3 m, com diâmetros principalmente 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 silício de carboneto
Substrato
Após a conclusão do cristal longo, ele entra no processo de produção do substrato.
Após corte direcionado, retificação (desbaste, desbaste fino), 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 de processamento é que o material de carboneto de silício é alto, crocante e estável em propriedades químicas.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 com 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 das pastilhas de silício carbonizadas, os requisitos de utilização de materiais aumentarão e tecnologias como corte a laser e separação a frio também serão aplicadas gradualmente.
Em 2018, a Infineon adquiriu a Siltectra GmbH, que desenvolveu um processo inovador conhecido como craqueamento a frio.
Em comparação com a perda tradicional do processo de corte multi-fio 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 produzir 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 específica de cristal único é cultivada no substrato por meio do processo de extensão.
Atualmente, o processo do método químico de deposição de gás (CVD) é usado principalmente.
Projeto
Após a confecção do substrato, ele entra na fase de concepção do produto.
Para o 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., possuem layout patenteado) e, por outro lado,atender à capacidade de fabricação e aos custos de fabricação.
Fabricação de wafer
Após a conclusão do design do produto, ele entra na fase de fabricação do wafer,e o processo é aproximadamente semelhante ao do silício, que possui principalmente as 5 etapas a seguir.
☆Etapa 1: injetar a máscara
Uma camada de filme de óxido de silício (SiO2) é feita, o fotorresistente é revestido, o padrão fotorresistente 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 tipo P e recozido 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 tipo P para formar uma região condutora tipo N do dreno e da fonte, e os íons de nitrogênio implantados são recozidos para ativá-los.
☆Etapa 3: Faça a grade
Faça a grade.Na área entre a fonte e o dreno, a camada de óxido da porta é preparada pelo processo de oxidação em alta temperatura, e a camada do eletrodo da porta é depositada para formar a estrutura de controle da porta.
☆Etapa 4: Fazendo camadas de passivação
A camada de passivação é feita.Deposite uma camada de passivação com boas características de isolamento para evitar a quebra entre eletrodos.
☆Etapa 5: Faça eletrodos de fonte de drenagem
Faça dreno e 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 à base de 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 da porta afeta diretamente a mobilidade do canal e a confiabilidade da porta, porque existem 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 de fotolitografia é difícil para o silício).
Após a conclusão da fabricação do wafer, o chip individual é cortado em um chip simples e pode ser embalado de acordo com a finalidade.O processo comum para dispositivos discretos é o pacote TO.
MOSFETs 650V CoolSiC™ no pacote TO-247
Foto de : Infineon
O campo automotivo tem requisitos de alta potência e dissipação de calor, e às vezes é necessário construir circuitos de ponte diretamente (meia ponte ou ponte completa, ou embalados diretamente com diodos).
Portanto, muitas vezes é empacotado diretamente em módulos ou sistemas.De acordo com o número de chips embalados em um único módulo, o formato comum é 1 em 1 (BorgWarner), 6 em 1 (Infineon), etc., e algumas empresas usam um esquema paralelo de tubo único.
Víbora Borgwarner
Suporta resfriamento de água 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 ponto de fusão da temperatura de solda macia tradicional é baixa, não pode atender aos requisitos de temperatura.Portanto, os módulos de carboneto de silício costumam usar 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 simples vem da ST, pacote autodesenvolvido e sistema de acionamento elétrico
☆02 Status da aplicação do SiC?
Na área automotiva, os dispositivos de energia são usados principalmente emDCDC, OBC, inversores de motor, inversores de ar condicionado elétrico, carregamento sem fio e outras peçasque requerem conversão rápida AC/DC (o DCDC atua principalmente como uma chave rápida).
Foto: BorgWarner
Comparados com materiais à base de silício, os materiais SIC têm maiorforça do campo de ruptura de avalanche crítica(3×106 V/cm),melhor condutividade térmica(49W/mK) eintervalo de banda mais amplo(3,26eV).
Quanto maior o intervalo de banda, menor será a corrente de fuga e maior será a eficiência.Quanto melhor for a condutividade térmica, maior será a densidade de corrente.Quanto mais forte for o campo crítico de ruptura da avalanche, a resistência à tensão do dispositivo poderá ser melhorada.
Portanto, no campo de alta tensão a bordo, MOSFETs e SBD preparados com 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 alcance aplicações em larga escala em inversores de motores, seguidos por OBC e DCDC.
Plataforma de tensão 800V
Na plataforma de tensão de 800V, a vantagem da alta frequência torna as empresas mais inclinadas a escolher a solução SiC-MOSFET.Portanto, a maior parte do atual planejamento de controle eletrônico de 800V SiC-MOSFET.
O planejamento em nível de plataforma incluimoderno E-GMP, GM Otenergy – campo de coleta, Porsche PPE e Tesla EPA.Exceto para os modelos da 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 universal de energia Ultra
O planejamento do modelo de 800V é mais,a marca Jiagirong do Salão da Grande Muralha, versão Beiqi pole Fox S HI, carro ideal S01 e W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 disse que carregará plataforma de 800V, além de BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen também disse tecnologia de 800V em pesquisa.
Da situação dos pedidos de 800V obtidos por 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 400V, o SiC-MOSFET considera principalmente alta potência e densidade de potência e alta eficiência.
Tal como o motor Tesla Model 3\Y que foi produzido em massa agora, a potência de pico do motor BYD Hanhou é de cerca de 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), a NIO também usará produtos SiC-MOSFET a partir de ET7 e o ET5 que será listado posteriormente.A potência máxima é de 240Kw (ET5 210Kw).
Além disso, do ponto de vista da alta eficiência, algumas empresas também estão explorando a viabilidade de produtos auxiliares de inundação SiC-MOSFET.
Horário da postagem: 08/07/2023