Σε σύγκριση με τους ημιαγωγούς ισχύος με βάση το πυρίτιο, οι ημιαγωγοί ισχύος SiC (καρβίδιο του πυριτίου) έχουν σημαντικά πλεονεκτήματα στη συχνότητα μεταγωγής, την απώλεια, την απαγωγή θερμότητας, τη σμίκρυνση κ.λπ.
Με τη μεγάλης κλίμακας παραγωγή μετατροπέων καρβιδίου του πυριτίου από την Tesla, περισσότερες εταιρείες άρχισαν επίσης να εκφορτώνουν προϊόντα καρβιδίου του πυριτίου.
Το SiC είναι τόσο «καταπληκτικό», πώς στο καλό φτιάχτηκε;Ποιες είναι οι εφαρμογές τώρα;Ας δούμε!
01 ☆ Γέννηση ενός SiC
Όπως και άλλοι ημιαγωγοί ισχύος, η βιομηχανική αλυσίδα SiC-MOSFET περιλαμβάνειτο μακρύ κρύσταλλο – υπόστρωμα – επιταξία – σχεδιασμός – κατασκευή – συσκευασία.
Μακρύ κρύσταλλο
Κατά τη διάρκεια της μακράς κρυσταλλικής ζεύξης, σε αντίθεση με την προετοιμασία της μεθόδου Tira που χρησιμοποιείται από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο, το καρβίδιο του πυριτίου υιοθετεί κυρίως τη μέθοδο μεταφοράς φυσικού αερίου (PVT, επίσης γνωστή ως μέθοδος βελτιωμένης Lly ή εξάχνωσης κρυστάλλου), μέθοδο εναπόθεσης χημικού αερίου υψηλής θερμοκρασίας (HTCVD ) συμπληρώματα.
☆ Βήμα πυρήνα
1. Ανθρακική στερεά πρώτη ύλη.
2. Μετά τη θέρμανση, το στερεό καρβίδιο γίνεται αέριο.
3. Μετακίνηση αερίου στην επιφάνεια του κρυστάλλου σπόρου.
4. Το αέριο αναπτύσσεται στην επιφάνεια του κρυστάλλου των σπόρων σε κρύσταλλο.
Πηγή εικόνας: "Τεχνικό σημείο αποσυναρμολόγησης καρβιδίου του πυριτίου ανάπτυξης PVT"
Η διαφορετική κατασκευή έχει προκαλέσει δύο σημαντικά μειονεκτήματα σε σύγκριση με τη βάση σιλικόνης:
Πρώτον, 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 αναμιχθεί σε 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 2 cm σε 7 ημέρες.Το μέγιστο μπορεί να αυξηθεί μόνο 3-5 cm και η διάμετρος του κρυσταλλικού πλινθώματος είναι κυρίως 4 ίντσες και 6 ίντσες.
Το 72H με βάση το πυρίτιο μπορεί να αναπτυχθεί σε ύψος 2-3 μέτρα, με διαμέτρους κυρίως 6 ίντσες και νέα ικανότητα παραγωγής 8 ιντσών για 12 ίντσες.Επομένως, το καρβίδιο του πυριτίου ονομάζεται συχνά κρυσταλλική ράβδος και το πυρίτιο γίνεται κρυσταλλικό ραβδί.
Πλίνθοι κρυστάλλων καρβιδίου πυριτίου
Υπόστρωμα
Αφού ολοκληρωθεί ο μακρύς κρύσταλλος, μπαίνει στη διαδικασία παραγωγής του υποστρώματος.
Μετά από στοχευμένη κοπή, λείανση (τραχιά 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, της θερμικής αγωγιμότητας και της αγωγιμότητας.Η δυσκολία της επεξεργασίας είναι ότι το υλικό καρβιδίου του πυριτίου είναι υψηλό, τραγανό και σταθερό στις χημικές ιδιότητες.Επομένως, 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 χρήσης (κόστος) των προϊόντων καρβιδίου του πυριτίου, επομένως απαιτείται να είναι μικρό, ομοιόμορφο πάχος και χαμηλή κοπή.
Στο παρόν,4 ιντσών και 6 ιντσών χρησιμοποιεί κυρίως εξοπλισμό κοπής πολλαπλών γραμμών,κόβοντας κρυστάλλους πυριτίου σε λεπτές φέτες με πάχος όχι μεγαλύτερο από 1 mm.
Σχηματικό διάγραμμα κοπής πολλαπλών γραμμών
Στο μέλλον, με την αύξηση του μεγέθους των πλακών από ανθρακούχο πυρίτιο, θα αυξηθεί η αύξηση των απαιτήσεων χρήσης υλικών και θα εφαρμοστούν σταδιακά και τεχνολογίες όπως ο τεμαχισμός με λέιζερ και ο ψυχρός διαχωρισμός.
Το 2018, η Infineon εξαγόρασε τη Siltectra GmbH, η οποία ανέπτυξε μια καινοτόμο διαδικασία γνωστή ως ψυχρή πυρόλυση.
Σε σύγκριση με την παραδοσιακή απώλεια διαδικασίας κοπής πολλαπλών συρμάτων κατά 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 παράγει συσκευές τροφοδοσίας απευθείας στο υπόστρωμα, απαιτούνται διάφορες συσκευές στο στρώμα επέκτασης.
Επομένως, μετά την ολοκλήρωση της παραγωγής του υποστρώματος, μια συγκεκριμένη μονοκρυσταλλική λεπτή μεμβράνη αναπτύσσεται στο υπόστρωμα μέσω της διαδικασίας επέκτασης.
Επί του παρόντος, χρησιμοποιείται κυρίως η μέθοδος χημικής εναπόθεσης αερίου (CVD).
Σχέδιο
Αφού κατασκευαστεί το υπόστρωμα, εισέρχεται στο στάδιο του σχεδιασμού του προϊόντος.
Για το MOSFET, το επίκεντρο της διαδικασίας σχεδιασμού είναι ο σχεδιασμός του αυλακιού,αφενός για την αποφυγή παραβίασης διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας(Infineon, Rohm, ST, κ.λπ., έχουν διάταξη ευρεσιτεχνίας), και από την άλλη πλευράανταποκρίνεται στο κόστος κατασκευής και κατασκευής.
Κατασκευή γκοφρέτας
Αφού ολοκληρωθεί ο σχεδιασμός του προϊόντος, εισέρχεται στο στάδιο κατασκευής γκοφρέτας,και η διαδικασία είναι περίπου παρόμοια με αυτή του πυριτίου, που έχει κυρίως τα ακόλουθα 5 βήματα.
☆Βήμα 1: Ενέσετε τη μάσκα
Κατασκευάζεται ένα στρώμα μεμβράνης οξειδίου του πυριτίου (SiO2), το φωτοανθεκτικό επικαλύπτεται, το σχέδιο φωτοανθεκτικού σχηματίζεται μέσω των σταδίων ομογενοποίησης, έκθεσης, ανάπτυξης κ.λπ., και το σχήμα μεταφέρεται στο φιλμ οξειδίου μέσω της διαδικασίας χάραξης.
☆Βήμα 2: Εμφύτευση ιόντων
Η καλυμμένη γκοφρέτα καρβιδίου του πυριτίου τοποθετείται σε έναν εμφυτευτή ιόντων, όπου εγχέονται ιόντα αλουμινίου για να σχηματιστεί μια ζώνη ντόπινγκ τύπου Ρ και ανόπτονται για να ενεργοποιηθούν τα εμφυτευμένα ιόντα αλουμινίου.
Το φιλμ οξειδίου αφαιρείται, τα ιόντα αζώτου εγχέονται σε μια συγκεκριμένη περιοχή της περιοχής ντόπινγκ τύπου Ρ για να σχηματιστεί μια αγώγιμη περιοχή τύπου Ν της αποχέτευσης και της πηγής και τα εμφυτευμένα ιόντα αζώτου ανόπτονται για να ενεργοποιηθούν.
☆Βήμα 3: Φτιάξτε το πλέγμα
Φτιάξτε το πλέγμα.Στην περιοχή μεταξύ της πηγής και της αποχέτευσης, το στρώμα οξειδίου πύλης παρασκευάζεται με διαδικασία οξείδωσης υψηλής θερμοκρασίας και το στρώμα ηλεκτροδίου πύλης εναποτίθεται για να σχηματίσει τη δομή ελέγχου πύλης.
☆Βήμα 4: Δημιουργία στρώσεων παθητικοποίησης
Κατασκευάζεται στρώμα παθητικοποίησης.Τοποθετήστε ένα στρώμα παθητικοποίησης με καλά χαρακτηριστικά μόνωσης για να αποτρέψετε τη διάσπαση των ηλεκτροδίων.
☆Βήμα 5: Δημιουργήστε ηλεκτρόδια πηγής αποστράγγισης
Κάντε την αποστράγγιση και την πηγή.Το στρώμα παθητικοποίησης είναι διάτρητο και το μέταλλο ψεκάζεται για να σχηματίσει μια αποχέτευση και μια πηγή.
Πηγή φωτογραφίας: Xinxi Capital
Αν και υπάρχει μικρή διαφορά μεταξύ του επιπέδου διεργασίας και του βασισμένου σε 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 του πλέγματος του ίδιου του υλικού και η δυσκολία θα επηρεάσει επίσης την απόδοση.
Επιπλέον, για εξαρτήματα MOSFET,η ποιότητα του οξυγόνου της πύλης επηρεάζει άμεσα την κινητικότητα του καναλιού και την αξιοπιστία της πύλης, επειδή υπάρχουν δύο είδη ατόμων πυριτίου και άνθρακα στο υλικό καρβιδίου του πυριτίου.
Ως εκ τούτου, 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 σε πυρίτιο).
Αφού ολοκληρωθεί η κατασκευή της γκοφρέτας, το μεμονωμένο τσιπ κόβεται σε γυμνό τσιπ και μπορεί να συσκευαστεί ανάλογα με το σκοπό.Η κοινή διαδικασία για διακριτές συσκευές είναι το πακέτο TO.
MOSFET 650V CoolSiC™ σε συσκευασία TO-247
Φωτογραφία: Infineon
Το πεδίο της αυτοκινητοβιομηχανίας έχει υψηλές απαιτήσεις ισχύος και απαγωγής θερμότητας και μερικές φορές είναι απαραίτητο να κατασκευαστούν απευθείας κυκλώματα γεφυρών (μισή γέφυρα ή πλήρης γέφυρα ή απευθείας συσκευασμένα με διόδους).
Ως εκ τούτου, συχνά συσκευάζεται απευθείας σε μονάδες ή συστήματα.Σύμφωνα με τον αριθμό των τσιπ που συσκευάζονται σε μία μονάδα, η κοινή μορφή είναι 1 σε 1 (BorgWarner), 6 σε 1 (Infineon) κ.λπ., και ορισμένες εταιρείες χρησιμοποιούν ένα παράλληλο σχήμα μονού σωλήνα.
Borgwarner Viper
Υποστηρίζει υδρόψυξη διπλής όψης 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 παραδοσιακή θερμοκρασία μαλακής συγκόλλησης θερμοκρασία σημείου τήξης είναι χαμηλή, δεν μπορεί να καλύψει τις απαιτήσεις θερμοκρασίας.Ως εκ τούτου, οι μονάδες καρβιδίου του πυριτίου χρησιμοποιούν συχνά τη διαδικασία συγκόλλησης αργύρου πυροσυσσωμάτωσης χαμηλής θερμοκρασίας.
Αφού ολοκληρωθεί η ενότητα, μπορεί να εφαρμοστεί στο σύστημα ανταλλακτικών.
Ελεγκτής κινητήρα Tesla Model3
Το γυμνό τσιπ προέρχεται από ST, αυτο-αναπτυγμένο πακέτο και σύστημα ηλεκτρικής κίνησης
☆02 Κατάσταση εφαρμογής του SiC;
Στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας, οι συσκευές ισχύος χρησιμοποιούνται κυρίως σεDCDC, OBC, μετατροπείς κινητήρα, 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 κατάρρευσης χιονοστιβάδας(3×106V/cm),καλύτερη θερμική αγωγιμότητα(49W/mK) καιευρύτερο διάκενο ζώνης(3,26eV).
Όσο μεγαλύτερο είναι το διάκενο της ζώνης, τόσο μικρότερο είναι το ρεύμα διαρροής και τόσο μεγαλύτερη είναι η απόδοση.Όσο καλύτερη είναι η θερμική αγωγιμότητα, τόσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα ρεύματος.Όσο ισχυρότερο είναι το κρίσιμο πεδίο διάσπασης χιονοστιβάδας, η αντίσταση τάσης της συσκευής μπορεί να βελτιωθεί.
Ως εκ τούτου, στον τομέα της ενσωματωμένης υψηλής τάσης, τα MOSFET και 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 μείωση των απωλειών μεταγωγής.
Προς το παρόν, είναι πιο πιθανό να επιτύχει εφαρμογές μεγάλης κλίμακας σε μετατροπείς κινητήρων και ακολουθούν οι OBC και DCDC.
Πλατφόρμα τάσης 800V
Στην πλατφόρμα τάσης 800V, το πλεονέκτημα της υψηλής συχνότητας κάνει τις επιχειρήσεις πιο διατεθειμένες να επιλέγουν τη λύση SiC-MOSFET.Ως εκ τούτου, το μεγαλύτερο μέρος του τρέχοντος ηλεκτρονικού ελέγχου 800V σχεδιάζει SiC-MOSFET.
Ο σχεδιασμός σε επίπεδο πλατφόρμας περιλαμβάνεισύγχρονο E-GMP, GM Otenergy – Pickup field, Porsche PPE και Tesla EPA.Εκτός από τα μοντέλα πλατφόρμας PPE της Porsche που δεν φέρουν ρητά SiC-MOSFET (το πρώτο μοντέλο είναι IGBT με βάση το πυρίτιο), άλλες πλατφόρμες οχημάτων υιοθετούν σχήματα SiC-MOSFET.
Ενεργειακή πλατφόρμα Universal Ultra
Ο σχεδιασμός μοντέλων 800V είναι περισσότερο,η μάρκα Great Wall Salon Jiagirong, έκδοση Beiqi pole Fox S HI, ιδανικό αυτοκίνητο S01 και W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, η Changan Avita E11 είπε ότι θα φέρει πλατφόρμα 800V, εκτός από τις BYD, Lantu, GAC'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, η Volkswagen είπε επίσης την τεχνολογία 800V στην έρευνα.
Από την κατάσταση των παραγγελιών 800V που ελήφθησαν από προμηθευτές Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics και Huichuanόλες οι ανακοινωμένες παραγγελίες ηλεκτροκίνησης 800V.
Πλατφόρμα τάσης 400V
Στην πλατφόρμα τάσης 400V, το SiC-MOSFET εξετάζει κυρίως την υψηλή ισχύ και πυκνότητα ισχύος και την υψηλή απόδοση.
Όπως ο κινητήρας Tesla Model 3\Y που έχει παραχθεί μαζικά τώρα, 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 την ET7 και το ΕΤ5 που θα αναγραφεί αργότερα.Η μέγιστη ισχύς είναι 240Kw (ET5 210Kw).
Επιπλέον, από την άποψη της υψηλής απόδοσης, ορισμένες επιχειρήσεις διερευνούν επίσης τη σκοπιμότητα των προϊόντων SiC-MOSFET βοηθητικής πλημμύρας.
Ώρα δημοσίευσης: Ιουλ-08-2023