Σε σύγκριση με τους ημιαγωγούς ισχύος με βάση το πυρίτιο, οι ημιαγωγοί ισχύος SiC (καρβίδιο του πυριτίου) έχουν σημαντικά πλεονεκτήματα στη συχνότητα μεταγωγής, τις απώλειες, την απαγωγή θερμότητας, τη σμίκρυνση κ.λπ.
Με την παραγωγή μεγάλης κλίμακας μετατροπέων καρβιδίου του πυριτίου από την Tesla, περισσότερες εταιρείες έχουν επίσης αρχίσει να προμηθεύονται προϊόντα καρβιδίου του πυριτίου.
Το SiC είναι τόσο «εκπληκτικό», πώς στο καλό κατασκευάστηκε; Ποιες είναι οι εφαρμογές του τώρα; Ας δούμε!
01 ☆ Η γέννηση ενός SiC
Όπως και άλλοι ημιαγωγοί ισχύος, η βιομηχανική αλυσίδα SiC-MOSFET περιλαμβάνειο σύνδεσμος μακρύς κρύσταλλος – υπόστρωμα – επιταξία – σχεδιασμός – κατασκευή – συσκευασία.
Μακρύς κρύσταλλος
Κατά τη διάρκεια της μακράς κρυσταλλικής σύνδεσης, σε αντίθεση με την παρασκευή της μεθόδου Tira που χρησιμοποιείται από το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο, το καρβίδιο του πυριτίου υιοθετεί κυρίως τη φυσική μέθοδο μεταφοράς αερίου (PVT, επίσης γνωστή ως βελτιωμένη μέθοδος Lly ή εξάχνωσης κρυστάλλων σπόρων), συμπληρώματα μεθόδου χημικής εναπόθεσης αερίου σε υψηλή θερμοκρασία (HTCVD).
☆ Βασικό βήμα
1. Ανθρακική στερεά πρώτη ύλη.
2. Μετά τη θέρμανση, το στερεό καρβίδιο γίνεται αέριο.
3. Μετακίνηση αερίου στην επιφάνεια του κρυστάλλου-σπόρου.
4. Αέριο αναπτύσσεται στην επιφάνεια του κρυστάλλου-σπόρου σε κρύσταλλο.
Πηγή εικόνας: «Τεχνικό σημείο για την αποσυναρμολόγηση καρβιδίου πυριτίου ανάπτυξης PVT»
Η διαφορετική κατασκευαστική ικανότητα έχει προκαλέσει δύο σημαντικά μειονεκτήματα σε σύγκριση με τη βάση σιλικόνης:
Καταρχάς, η παραγωγή είναι δύσκολη και η απόδοση χαμηλή.Η θερμοκρασία της αέριας φάσης με βάση τον άνθρακα αυξάνεται πάνω από 2300 ° C και η πίεση είναι 350 MPa. Ολόκληρο το σκοτεινό κουτί εκτελείται και είναι εύκολο να αναμειχθεί με ακαθαρσίες. Η απόδοση είναι χαμηλότερη από τη βάση πυριτίου. Όσο μεγαλύτερη είναι η διάμετρος, τόσο χαμηλότερη είναι η απόδοση.
Το δεύτερο είναι η αργή ανάπτυξη.Η διακυβέρνηση της μεθόδου PVT είναι πολύ αργή, η ταχύτητα είναι περίπου 0,3-0,5 mm/h και μπορεί να αυξηθεί κατά 2 cm σε 7 ημέρες. Το μέγιστο μπορεί να αυξηθεί μόνο 3-5 cm και η διάμετρος του κρυσταλλικού ιμάντα είναι ως επί το πλείστον 4 ίντσες και 6 ίντσες.
Το 72H με βάση το πυρίτιο μπορεί να φτάσει σε ύψος 2-3 μέτρα, με διάμετρο ως επί το πλείστον 6 ίντσες και νέα παραγωγική ικανότητα 8 ιντσών για 12 ίντσες.Επομένως, το καρβίδιο του πυριτίου ονομάζεται συχνά κρυσταλλική ράβδος και το πυρίτιο γίνεται κρυσταλλικό ραβδί.
Πλινθώματα κρυστάλλου καρβιδίου-πυριτίου
Υπόστρωμα
Αφού ολοκληρωθεί ο μακρύς κρύσταλλος, εισέρχεται στη διαδικασία παραγωγής του υποστρώματος.
Μετά από στοχευμένη κοπή, λείανση (χονδρή λείανση, λεπτή λείανση), στίλβωση (μηχανική στίλβωση), στίλβωση εξαιρετικά ακριβείας (χημική μηχανική στίλβωση), λαμβάνεται το υπόστρωμα καρβιδίου του πυριτίου.
Το υπόστρωμα παίζει κυρίωςο ρόλος της φυσικής υποστήριξης, η θερμική αγωγιμότητα και η αγωγιμότητα.Η δυσκολία της επεξεργασίας έγκειται στο ότι το υλικό καρβιδίου του πυριτίου έχει υψηλές, τραγανές και σταθερές χημικές ιδιότητες. Συνεπώς, οι παραδοσιακές μέθοδοι επεξεργασίας με βάση το πυρίτιο δεν είναι κατάλληλες για υπόστρωμα καρβιδίου του πυριτίου.
Η ποιότητα του αποτελέσματος κοπής επηρεάζει άμεσα την απόδοση και την αποδοτικότητα αξιοποίησης (κόστος) των προϊόντων καρβιδίου του πυριτίου, επομένως απαιτείται να είναι μικρό, ομοιόμορφο πάχος και χαμηλή κοπή.
Προς το παρόν,4-ιντσών και 6-ιντσών χρησιμοποιεί κυρίως εξοπλισμό κοπής πολλαπλών γραμμών,κοπή κρυστάλλων πυριτίου σε λεπτές φέτες με πάχος όχι μεγαλύτερο από 1 mm.
Σχηματικό διάγραμμα κοπής πολλαπλών γραμμών
Στο μέλλον, με την αύξηση του μεγέθους των πλακιδίων ανθρακούχου πυριτίου, θα αυξηθεί και η χρήση υλικών, ενώ θα εφαρμοστούν σταδιακά και τεχνολογίες όπως η κοπή με λέιζερ και ο ψυχρός διαχωρισμός.
Το 2018, η Infineon εξαγόρασε την Siltectra GmbH, η οποία ανέπτυξε μια καινοτόμο διαδικασία γνωστή ως ψυχρή πυρόλυση.
Σε σύγκριση με την παραδοσιακή διαδικασία κοπής πολλαπλών συρμάτων, η απώλεια του 1/4,Η διαδικασία ψυχρής πυρόλυσης έχασε μόνο το 1/8 του υλικού καρβιδίου του πυριτίου.
Επέκταση
Δεδομένου ότι το υλικό καρβιδίου του πυριτίου δεν μπορεί να κατασκευάσει συσκευές ισχύος απευθείας στο υπόστρωμα, απαιτούνται διάφορες συσκευές στο στρώμα επέκτασης.
Επομένως, μετά την ολοκλήρωση της παραγωγής του υποστρώματος, αναπτύσσεται στο υπόστρωμα μια συγκεκριμένη λεπτή μεμβράνη μονοκρυστάλλου μέσω της διαδικασίας επέκτασης.
Προς το παρόν, χρησιμοποιείται κυρίως η μέθοδος χημικής εναπόθεσης αερίου (CVD).
Σχέδιο
Αφού κατασκευαστεί το υπόστρωμα, εισέρχεται στο στάδιο του σχεδιασμού του προϊόντος.
Για τα MOSFET, το επίκεντρο της διαδικασίας σχεδιασμού είναι ο σχεδιασμός της αυλάκωσης,αφενός για την αποφυγή παραβίασης διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας(Infineon, Rohm, ST, κ.λπ., έχουν διάταξη ευρεσιτεχνίας), και από την άλλη πλευρά νανα καλύψουν το κόστος κατασκευής και τη δυνατότητα κατασκευής.
Κατασκευή πλακιδίων
Αφού ολοκληρωθεί ο σχεδιασμός του προϊόντος, εισέρχεται στο στάδιο της κατασκευής πλακιδίων.και η διαδικασία είναι περίπου παρόμοια με αυτή του πυριτίου, η οποία έχει κυρίως τα ακόλουθα 5 βήματα.
☆Βήμα 1: Κάντε ένεση στη μάσκα
Κατασκευάζεται ένα στρώμα μεμβράνης οξειδίου του πυριτίου (SiO2), επικαλύπτεται το φωτοευαίσθητο υλικό, σχηματίζεται το μοτίβο του φωτοευαίσθητου υλικού μέσω των βημάτων ομογενοποίησης, έκθεσης, εμφάνισης κ.λπ. και το σχήμα μεταφέρεται στο φιλμ οξειδίου μέσω της διαδικασίας χάραξης.
☆Βήμα 2: Εμφύτευση ιόντων
Η μάσκα από καρβίδιο του πυριτίου με μάσκα τοποθετείται σε έναν εμφυτευτή ιόντων, όπου εγχέονται ιόντα αλουμινίου για να σχηματίσουν μια ζώνη πρόσμιξης τύπου Ρ και υποβάλλονται σε ανόπτηση για να ενεργοποιηθούν τα εμφυτευμένα ιόντα αλουμινίου.
Η μεμβράνη οξειδίου αφαιρείται, ιόντα αζώτου εγχέονται σε μια συγκεκριμένη περιοχή της περιοχής πρόσμιξης τύπου Ρ για να σχηματίσουν μια αγώγιμη περιοχή τύπου Ν της αποστράγγισης και της πηγής, και τα εμφυτευμένα ιόντα αζώτου υποβάλλονται σε ανόπτηση για να ενεργοποιηθούν.
☆Βήμα 3: Φτιάξτε το πλέγμα
Κατασκευάστε το πλέγμα. Στην περιοχή μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης, το στρώμα οξειδίου της πύλης παρασκευάζεται με διαδικασία οξείδωσης σε υψηλή θερμοκρασία και το στρώμα ηλεκτροδίου πύλης εναποτίθεται για να σχηματίσει τη δομή ελέγχου της πύλης.
☆Βήμα 4: Δημιουργία στρώσεων παθητικοποίησης
Κατασκευάζεται στρώμα παθητικοποίησης. Εναποθέστε ένα στρώμα παθητικοποίησης με καλά χαρακτηριστικά μόνωσης για να αποτρέψετε τη διάσπαση μεταξύ των ηλεκτροδίων.
☆Βήμα 5: Κατασκευάστε ηλεκτρόδια πηγής αποστράγγισης
Δημιουργήστε αποστράγγιση και πηγή. Το στρώμα παθητικοποίησης διατρυπάται και το μέταλλο ψεκάζεται για να σχηματίσει μια αποστράγγιση και μια πηγή.
Πηγή φωτογραφίας: Xinxi Capital
Αν και υπάρχει μικρή διαφορά μεταξύ του επιπέδου διεργασίας και αυτού που βασίζεται στο πυρίτιο, λόγω των χαρακτηριστικών των υλικών καρβιδίου του πυριτίου,η εμφύτευση ιόντων και η ανόπτηση πρέπει να πραγματοποιούνται σε περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας(έως 1600 ° C), η υψηλή θερμοκρασία θα επηρεάσει τη δομή πλέγματος του ίδιου του υλικού και η δυσκολία θα επηρεάσει επίσης την απόδοση.
Επιπλέον, για τα εξαρτήματα MOSFET,Η ποιότητα του οξυγόνου στην πύλη επηρεάζει άμεσα την κινητικότητα του καναλιού και την αξιοπιστία της πύλης, επειδή υπάρχουν δύο είδη ατόμων πυριτίου και άνθρακα στο υλικό καρβιδίου του πυριτίου.
Επομένως, απαιτείται μια ειδική μέθοδος ανάπτυξης μέσου πύλης (ένα άλλο σημείο είναι ότι το φύλλο καρβιδίου του πυριτίου είναι διαφανές και η ευθυγράμμιση θέσης στο στάδιο της φωτολιθογραφίας είναι δύσκολη στην πυριτίαση).
Αφού ολοκληρωθεί η κατασκευή των πλακιδίων, το μεμονωμένο τσιπ κόβεται σε ένα γυμνό τσιπ και μπορεί να συσκευαστεί ανάλογα με τον σκοπό. Η συνήθης διαδικασία για διακριτές συσκευές είναι η συσκευασία σε μορφή TO.
MOSFET 650V CoolSiC™ σε συσκευασία TO-247
Φωτογραφία: Infineon
Ο τομέας της αυτοκινητοβιομηχανίας έχει υψηλές απαιτήσεις ισχύος και απαγωγής θερμότητας και μερικές φορές είναι απαραίτητο να κατασκευάζονται απευθείας κυκλώματα γέφυρας (μισή γέφυρα ή πλήρης γέφυρα ή απευθείας συσκευασμένα με διόδους).
Επομένως, συχνά συσκευάζεται απευθείας σε μονάδες ή συστήματα. Ανάλογα με τον αριθμό των τσιπ που συσκευάζονται σε μία μόνο μονάδα, η συνήθης μορφή είναι 1 σε 1 (BorgWarner), 6 σε 1 (Infineon) κ.λπ., και ορισμένες εταιρείες χρησιμοποιούν ένα παράλληλο σχήμα μονού σωλήνα.
Οχιά Μποργκγουόρνερ
Υποστηρίζει διπλή υδρόψυξη και SiC-MOSFET
Μονάδες Infineon CoolSiC™ MOSFET
Σε αντίθεση με το πυρίτιο,Οι μονάδες καρβιδίου του πυριτίου λειτουργούν σε υψηλότερη θερμοκρασία, περίπου 200 ° C.
Η θερμοκρασία τήξης της παραδοσιακής μαλακής συγκόλλησης είναι χαμηλή και δεν μπορεί να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις θερμοκρασίας. Επομένως, οι μονάδες καρβιδίου του πυριτίου χρησιμοποιούν συχνά διαδικασία συγκόλλησης με πυροσυσσωμάτωση αργύρου σε χαμηλή θερμοκρασία.
Αφού ολοκληρωθεί η ενότητα, μπορεί να εφαρμοστεί στο σύστημα εξαρτημάτων.
Ελεγκτής κινητήρα Tesla Model3
Το γυμνό τσιπ προέρχεται από την ST, το αυτοαναπτυγμένο πακέτο και το ηλεκτρικό σύστημα κίνησης
☆02 Κατάσταση εφαρμογής του SiC;
Στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας, οι συσκευές ισχύος χρησιμοποιούνται κυρίως σεDCDC, OBC, μετατροπείς κινητήρων, ηλεκτρικοί μετατροπείς κλιματισμού, ασύρματη φόρτιση και άλλα εξαρτήματαπου απαιτούν γρήγορη μετατροπή AC/DC (το DCDC λειτουργεί κυρίως ως γρήγορος διακόπτης).
Φωτογραφία: BorgWarner
Σε σύγκριση με τα υλικά με βάση το πυρίτιο, τα υλικά SIC έχουν υψηλότερακρίσιμη ένταση πεδίου διάσπασης χιονοστιβάδας(3×106V/cm),καλύτερη θερμική αγωγιμότητα(49W/mK) καιευρύτερο χάσμα ζώνης(3,26eV).
Όσο μεγαλύτερο είναι το ενεργειακό χάσμα, τόσο μικρότερο είναι το ρεύμα διαρροής και τόσο υψηλότερη είναι η απόδοση. Όσο καλύτερη είναι η θερμική αγωγιμότητα, τόσο υψηλότερη είναι η πυκνότητα ρεύματος. Όσο ισχυρότερο είναι το κρίσιμο πεδίο διάσπασης χιονοστιβάδας, τόσο μπορεί να βελτιωθεί η αντίσταση τάσης της συσκευής.
Επομένως, στον τομέα της υψηλής τάσης επί του οχήματος, τα MOSFET και τα SBD που παρασκευάζονται από υλικά καρβιδίου του πυριτίου για να αντικαταστήσουν τον υπάρχοντα συνδυασμό IGBT και FRD με βάση το πυρίτιο μπορούν να βελτιώσουν αποτελεσματικά την ισχύ και την απόδοση,ειδικά σε σενάρια εφαρμογών υψηλής συχνότητας για τη μείωση των απωλειών μεταγωγής.
Προς το παρόν, είναι πιο πιθανό να επιτευχθούν εφαρμογές μεγάλης κλίμακας σε μετατροπείς κινητήρων, ακολουθούμενοι από τους OBC και DCDC.
Πλατφόρμα τάσης 800V
Στην πλατφόρμα τάσης 800V, το πλεονέκτημα της υψηλής συχνότητας καθιστά τις επιχειρήσεις πιο πιθανό να επιλέξουν λύση SiC-MOSFET. Επομένως, το μεγαλύτερο μέρος του τρέχοντος ηλεκτρονικού σχεδιασμού ελέγχου 800V χρησιμοποιεί SiC-MOSFET.
Ο σχεδιασμός σε επίπεδο πλατφόρμας περιλαμβάνεισύγχρονο E-GMP, GM Otenergy – πεδίο pickup, Porsche PPE και Tesla EPA.Εκτός από τα μοντέλα πλατφόρμας Porsche PPE που δεν φέρουν ρητά SiC-MOSFET (το πρώτο μοντέλο είναι IGBT με βάση το πυρίτιο), άλλες πλατφόρμες οχημάτων υιοθετούν σχήματα SiC-MOSFET.
Πλατφόρμα ενέργειας Universal Ultra
Ο σχεδιασμός μοντέλου 800V είναι περισσότερος,η μάρκα Jiagirong του Great Wall Salon, η έκδοση Beiqi pole Fox S HI, τα ideal car S01 και W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Η Changan Avita E11 δήλωσε ότι θα φέρει πλατφόρμα 800V, εκτός από τις BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag, η Volkswagen δήλωσε επίσης ότι η τεχνολογία 800V βρίσκεται σε έρευνα.
Από την κατάσταση των παραγγελιών 800V που έλαβαν οι προμηθευτές Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics και Huichuanόλες οι ανακοινωμένες παραγγελίες ηλεκτρικών μονάδων κίνησης 800V.
Πλατφόρμα τάσης 400V
Στην πλατφόρμα τάσης 400V, το SiC-MOSFET λαμβάνει κυρίως υπόψη την υψηλή ισχύ και πυκνότητα ισχύος και την υψηλή απόδοση.
Όπως ο κινητήρας Tesla Model 3\Y που έχει πλέον παραχθεί μαζικά, η μέγιστη ισχύς του κινητήρα BYD Hanhou είναι περίπου 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), η NIO θα χρησιμοποιεί επίσης προϊόντα SiC-MOSFET ξεκινώντας από το ET7 και το ET5 που θα αναφερθούν αργότερα. Η μέγιστη ισχύς είναι 240Kw (ET5 210Kw).
Επιπλέον, από την άποψη της υψηλής απόδοσης, ορισμένες επιχειρήσεις διερευνούν επίσης τη σκοπιμότητα βοηθητικών προϊόντων πλημμύρας SiC-MOSFET.
Ώρα δημοσίευσης: 08 Ιουλίου 2023
