Ինչու է SiC-ն այդքան «աստվածային»:

Համեմատած սիլիցիումի վրա հիմնված ուժային կիսահաղորդիչների հետ, SiC (սիլիցիումի կարբիդ) ուժային կիսահաղորդիչները զգալի առավելություններ ունեն միացման հաճախականության, կորստի, ջերմության տարածման, մանրացման և այլնի առումով:

Tesla-ի կողմից սիլիցիումի կարբիդի ինվերտորների լայնածավալ արտադրությամբ, ավելի շատ ընկերություններ սկսել են նաև սիլիցիումի կարբիդի արտադրանքներ արտադրել:

SiC-ն այնքան «զարմանալի է», ինչպե՞ս է այն ստեղծվել: Որո՞նք են այժմ դիմումները: Եկեք տեսնենք։

01 ☆ SiC-ի ծնունդ

Ինչպես մյուս ուժային կիսահաղորդիչների, SiC-MOSFET արդյունաբերական շղթան ներառում էերկար բյուրեղյա - ենթաշերտ - էպիտաքսիա - դիզայն - արտադրություն - փաթեթավորում հղումը: 

Երկար բյուրեղյա

Երկար բյուրեղային կապի ընթացքում, ի տարբերություն մեկ բյուրեղյա սիլիցիումի կողմից օգտագործվող Tira մեթոդի պատրաստման, սիլիցիումի կարբիդը հիմնականում ընդունում է ֆիզիկական գազի տեղափոխման մեթոդը (PVT, որը նաև հայտնի է որպես բարելավված Lly կամ սերմաբյուրեղային սուբլիմացիայի մեթոդ), բարձր ջերմաստիճանի քիմիական գազի նստեցման մեթոդ (HTCVD): ) հավելումներ.

☆ Հիմնական քայլ

1. Կարբոնային պինդ հումք;

2. Տաքացումից հետո կարբիդային պինդը դառնում է գազ;

3. Գազը տեղափոխվում է սերմի բյուրեղի մակերես;

4. Սերմերի բյուրեղի մակերեսի վրա գազը աճում է բյուրեղի։

Նկարի աղբյուր՝ «Տեխնիկական կետ PVT աճող սիլիցիումի կարբիդը ապամոնտաժելու համար»

Տարբեր վարպետությունը սիլիկոնային հիմքի համեմատ առաջացրել է երկու հիմնական թերություն.

Նախ՝ արտադրությունը դժվար է, իսկ բերքատվությունը՝ ցածր։Ածխածնի վրա հիմնված գազի փուլի ջերմաստիճանը բարձրանում է 2300 ° C-ից բարձր, իսկ ճնշումը 350 ՄՊա է: Ամբողջ մուգ տուփը պատրաստված է, և այն հեշտ է խառնել կեղտերի մեջ: Բերքատվությունն ավելի ցածր է, քան սիլիկոնային հիմքը: Որքան մեծ է տրամագիծը, այնքան ցածր է բերքատվությունը:

Երկրորդը դանդաղ աճն է:PVT մեթոդի կառավարումը շատ դանդաղ է, արագությունը մոտ 0,3-0,5 մմ/ժ է, և այն կարող է աճել 2 սմ 7 օրվա ընթացքում: Առավելագույնը կարող է աճել միայն 3-5 սմ, իսկ բյուրեղյա ձուլակտորի տրամագիծը հիմնականում 4 դյույմ և 6 դյույմ է:

Սիլիկոնային հիմքով 72H-ը կարող է աճել մինչև 2-3 մ բարձրություն, տրամագծով հիմնականում 6 դյույմ և 8 դյույմ նոր արտադրական հզորությամբ 12 դյույմով:Հետեւաբար, սիլիցիումի կարբիդը հաճախ կոչվում է բյուրեղյա ձուլակտոր, իսկ սիլիցիումը դառնում է բյուրեղյա փայտ:

Կարբիդ սիլիցիումի բյուրեղյա ձուլակտորներ

Սուբստրատ

Երկար բյուրեղի ավարտից հետո այն մտնում է ենթաշերտի արտադրության գործընթաց:

Նպատակային կտրումից, հղկումից (կոպիտ մանրացում, նուրբ հղկում), փայլեցում (մեխանիկական փայլեցում), գերճշգրիտ փայլեցում (քիմիական մեխանիկական փայլեցում), ստացվում է սիլիցիումի կարբիդի ենթաշերտը։

Հիմնականում խաղում են ենթաշերտըֆիզիկական աջակցության, ջերմային հաղորդունակության և հաղորդունակության դերը:Մշակման դժվարությունն այն է, որ սիլիցիումի կարբիդի նյութը բարձր է, խրթխրթան և կայուն քիմիական հատկություններով: Հետևաբար, սիլիցիումի վրա հիմնված մշակման ավանդական մեթոդները հարմար չեն սիլիցիումի կարբիդի ենթաշերտի համար:

Կտրող էֆեկտի որակը ուղղակիորեն ազդում է սիլիցիումի կարբիդի արտադրանքի կատարողականության և օգտագործման արդյունավետության (արժեքի) վրա, ուստի պահանջվում է, որ այն լինի փոքր, միատեսակ հաստությամբ և ցածր կտրվածքով:

Ներկայումս,4-դյույմանոց և 6-դյույմանոցները հիմնականում օգտագործում են բազմաշերտ կտրող սարքավորումներ,կտրելով սիլիցիումի բյուրեղները 1 մմ-ից ոչ ավելի հաստությամբ բարակ շերտերով:

Բազմագծերի կտրման սխեմատիկ դիագրամ

Ապագայում, գազավորված սիլիցիումային վաֆլիների չափերի մեծացման հետ մեկտեղ, կավելանան նյութերի օգտագործման պահանջների ավելացումը, և աստիճանաբար կկիրառվեն այնպիսի տեխնոլոգիաներ, ինչպիսիք են լազերային կտրումը և սառը տարանջատումը:

2018-ին Infineon-ը ձեռք բերեց Siltectra GmbH-ը, որը մշակեց նորարարական գործընթաց, որը հայտնի է որպես սառը ճեղքում:

Համեմատած ավանդական բազմալարով կտրման գործընթացի 1/4 կորստի հետ,սառը ճեղքման գործընթացը կորցրեց սիլիցիումի կարբիդի նյութի միայն 1/8-ը:

Ընդլայնումը

Քանի որ սիլիցիումի կարբիդային նյութը չի կարող էլեկտրական սարքեր պատրաստել ուղղակիորեն հիմքի վրա, երկարացման շերտի վրա անհրաժեշտ են տարբեր սարքեր:

Հետևաբար, հիմքի արտադրությունն ավարտվելուց հետո, երկարացման գործընթացի միջոցով ենթաշերտի վրա աճում է հատուկ մեկ բյուրեղյա բարակ թաղանթ:

Ներկայումս հիմնականում կիրառվում է քիմիական գազի նստեցման մեթոդը (CVD):

Դիզայն

Ենթաշերտը պատրաստելուց հետո այն մտնում է արտադրանքի նախագծման փուլ:

MOSFET-ի համար նախագծման գործընթացի կիզակետը ակոսի ձևավորումն է,մի կողմից՝ արտոնագրերի խախտումից խուսափելու համար(Infineon, Rohm, ST և այլն, ունեն արտոնագրային դասավորություն), իսկ մյուս կողմից՝բավարարել արտադրական և արտադրական ծախսերը:

Վաֆլի արտադրություն

Արտադրանքի դիզայնի ավարտից հետո այն անցնում է վաֆլի արտադրության փուլ,և գործընթացը մոտավորապես նման է սիլիցիումի գործընթացին, որը հիմնականում ունի հետևյալ 5 քայլերը.

☆Քայլ 1. Ներարկել դիմակը

Պատրաստվում է սիլիցիումի օքսիդի (SiO2) թաղանթի շերտ, ֆոտոռեսիստը պատվում է, ֆոտոռեզիստական ​​նախշը ձևավորվում է միատարրացման, մերկացման, մշակման և այլնի քայլերով, իսկ ուրվագիծը փորագրման գործընթացով տեղափոխվում է օքսիդ թաղանթ:

☆Քայլ 2. Իոնների իմպլանտացիա

Դիմակավորված սիլիցիումի կարբիդային վաֆլը տեղադրվում է իոնային իմպլանտատորի մեջ, որտեղ ալյումինի իոնները ներարկվում են P- տիպի դոպինգ գոտի ստեղծելու համար և զտվում՝ ներկառուցված ալյումինի իոնները ակտիվացնելու համար:

Օքսիդային թաղանթը հեռացվում է, ազոտի իոնները ներարկվում են P-տիպի դոպինգ շրջանի որոշակի շրջան՝ ձևավորելու ջրահեռացման և աղբյուրի N-տիպի հաղորդիչ շրջան, և ներկառուցված ազոտի իոնները զտվում են՝ դրանք ակտիվացնելու համար:

☆Քայլ 3. Կազմեք ցանցը

Կազմեք ցանցը: Աղբյուրի և արտահոսքի միջև ընկած հատվածում դարպասի օքսիդի շերտը պատրաստվում է բարձր ջերմաստիճանի օքսիդացման գործընթացով, իսկ դարպասի էլեկտրոդի շերտը տեղադրվում է դարպասի կառավարման կառուցվածքը ձևավորելու համար:

☆Քայլ 4. Պասիվացման շերտերի պատրաստում

Կատարվում է պասիվացման շերտ։ Տեղադրեք պասիվացման շերտ՝ լավ մեկուսացման բնութագրերով՝ միջէլեկտրոդների խզումը կանխելու համար:

☆Քայլ 5. Պատրաստեք արտահոսքի աղբյուրի էլեկտրոդներ

Կատարեք արտահոսք և աղբյուր: Պասիվացման շերտը ծակված է, և մետաղը ցրվում է` ձևավորելով արտահոսք և աղբյուր:

Լուսանկարի աղբյուր՝ Xinxi Capital

Չնայած գործընթացի մակարդակի և սիլիցիումի հիմքի միջև փոքր տարբերություն կա, սիլիցիումի կարբիդային նյութերի բնութագրերի պատճառով,իոնների իմպլանտացիան և եռացումը պետք է իրականացվեն բարձր ջերմաստիճանի միջավայրում(մինչև 1600 ° C), բարձր ջերմաստիճանը կանդրադառնա հենց նյութի վանդակավոր կառուցվածքի վրա, և դժվարությունը կազդի նաև բերքատվության վրա:

Բացի այդ, MOSFET բաղադրիչների համար,դարպասի թթվածնի որակն ուղղակիորեն ազդում է ալիքի շարժունակության և դարպասի հուսալիության վրա, քանի որ սիլիցիումի կարբիդի նյութում կան երկու տեսակի սիլիցիումի և ածխածնի ատոմներ։

Հետևաբար, անհրաժեշտ է դարպասի միջավայրի աճի հատուկ մեթոդ (մյուս կետն այն է, որ սիլիցիումի կարբիդային թերթիկը թափանցիկ է, և ֆոտոլիտոգրաֆիայի փուլում դիրքի հավասարեցումը դժվար է սիլիցիումի համար):

Վաֆլի արտադրությունն ավարտվելուց հետո անհատական ​​չիպը կտրվում է մերկ չիպի մեջ և կարող է փաթեթավորվել ըստ նշանակության: Դիսկրետ սարքերի ընդհանուր գործընթացը TO փաթեթն է:

650V CoolSiC™ MOSFET-ներ TO-247 փաթեթում

Լուսանկարը՝ Infineon

Ավտոմոբիլային ոլորտն ունի հզորության և ջերմության տարածման բարձր պահանջներ, և երբեմն անհրաժեշտ է ուղղակիորեն կառուցել կամուրջների սխեմաներ (կես կամուրջ կամ լրիվ կամուրջ կամ ուղղակիորեն փաթեթավորված դիոդներով):

Հետեւաբար, այն հաճախ փաթեթավորվում է անմիջապես մոդուլների կամ համակարգերի մեջ: Ըստ մեկ մոդուլում փաթեթավորված չիպերի քանակի, ընդհանուր ձևը 1-ը 1-ն է (BorgWarner), 6-ը 1-ում (Infineon) և այլն, իսկ որոշ ընկերություններ օգտագործում են մեկ խողովակով զուգահեռ սխեմա:

Borgwarner Viper

Աջակցում է երկկողմանի ջրային սառեցմանը և SiC-MOSFET-ին

Infineon CoolSiC™ MOSFET մոդուլներ

Ի տարբերություն սիլիցիումի,Սիլիցիումի կարբիդի մոդուլները գործում են ավելի բարձր ջերմաստիճանում, մոտ 200 ° C:

Ավանդական փափուկ զոդման ջերմաստիճանի հալման կետի ջերմաստիճանը ցածր է, չի կարող բավարարել ջերմաստիճանի պահանջները: Հետեւաբար, սիլիցիումի կարբիդի մոդուլները հաճախ օգտագործում են ցածր ջերմաստիճանի արծաթի եռակցման եռակցման գործընթացը:

Մոդուլի ավարտից հետո այն կարող է կիրառվել մասերի համակարգի վրա:

Tesla Model3 շարժիչի կարգավորիչ

Մերկ չիպը գալիս է ST-ից, ինքնուրույն մշակված փաթեթից և էլեկտրական շարժիչ համակարգից

☆02 SiC-ի կիրառման կարգավիճակը:

Ավտոմոբիլային ոլորտում հիմնականում օգտագործվում են ուժային սարքերըDCDC, OBC, շարժիչի ինվերտորներ, էլեկտրական օդորակման ինվերտորներ, անլար լիցքավորում և այլ մասերորոնք պահանջում են AC/DC արագ փոխակերպում (DCDC-ն հիմնականում գործում է որպես արագ անջատիչ):

Լուսանկարը՝ BorgWarner

Սիլիցիումի վրա հիմնված նյութերի համեմատ, SIC նյութերն ավելի բարձր ենկրիտիկական ավալանշի փլուզման դաշտի ուժը(3×106V/սմ),ավելի լավ ջերմային հաղորդունակություն(49W/mK) ևավելի լայն գոտի բացը(3.26eV):

Որքան լայն է ժապավենի բացը, այնքան փոքր է արտահոսքի հոսանքը և այնքան բարձր է արդյունավետությունը: Որքան լավ է ջերմային հաղորդունակությունը, այնքան մեծ է ընթացիկ խտությունը: Որքան ուժեղ է ավալանշի փլուզման կրիտիկական դաշտը, այնքան սարքի լարման դիմադրությունը կարող է բարելավվել:

Հետևաբար, ինքնաթիռում բարձր լարման ոլորտում MOSFET-ները և SBD-ները, որոնք պատրաստված են սիլիցիումի կարբիդային նյութերով, փոխարինելու համար առկա սիլիցիումի վրա հիմնված IGBT և FRD համակցությունը, կարող են արդյունավետորեն բարելավել հզորությունը և արդյունավետությունը,հատկապես բարձր հաճախականության կիրառման սցենարներում՝ միացման կորուստները նվազեցնելու համար:

Ներկայումս, ամենայն հավանականությամբ, այն կարող է հասնել լայնածավալ կիրառությունների շարժիչային ինվերտորներում, որին հաջորդում են OBC-ն և DCDC-ն:

800 Վ լարման հարթակ

800 Վ լարման հարթակում բարձր հաճախականության առավելությունը ձեռնարկություններին ավելի հակված է դարձնում ընտրել SiC-MOSFET լուծումը: Հետևաբար, ներկայիս 800V էլեկտրոնային կառավարման պլանավորման SiC-MOSFET-ի մեծ մասը:

Պլատֆորմի մակարդակի պլանավորումը ներառում էժամանակակից E-GMP, GM Otenergy – պիկապ դաշտ, Porsche PPE և Tesla EPA:Բացառությամբ Porsche PPE պլատֆորմի մոդելների, որոնք բացահայտորեն չեն կրում SiC-MOSFET (առաջին մոդելը սիլիցիումի վրա հիմնված IGBT է), մեքենաների այլ հարթակներն ընդունում են SiC-MOSFET սխեմաները:

Ունիվերսալ Ուլտրա էներգետիկ հարթակ

800V մոդելի պլանավորումն ավելին է,Great Wall Salon ապրանքանիշը Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI տարբերակը, իդեալական մեքենա S01 և W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11-ը հայտնել է, որ այն կկրի 800 Վ պլատֆորմ, բացի BYD-ից, Lantu-ից, GAC'an-ից, Mercedes-Benz-ից, zero Run-ից, FAW Red Flag-ից, Volkswagen-ը նաև ասել է, որ 800V տեխնոլոգիան հետազոտություններում:

Tier1 մատակարարների կողմից ստացված 800V պատվերների իրավիճակից,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics և Huichuanբոլոր հայտարարված 800V էլեկտրական շարժիչի պատվերները:

400 Վ լարման հարթակ

400 Վ լարման հարթակում SiC-MOSFET-ը հիմնականում հաշվի է առնում բարձր հզորության և հզորության խտությունը և բարձր արդյունավետությունը:

Ինչպիսին է Tesla Model 3\Y շարժիչը, որը այժմ զանգվածային արտադրության է, BYD Hanhou շարժիչի գագաթնակետային հզորությունը կազմում է մոտ 200 ԿՎտ (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO-ն կօգտագործի նաև SiC-MOSFET արտադրանք՝ սկսած ET7-ից: և ET5-ը, որը կներկայացվի ավելի ուշ: Պիկ հզորությունը 240 ԿՎտ է (ET5 210 ԿՎտ):

Բացի այդ, բարձր արդյունավետության տեսանկյունից, որոշ ձեռնարկություններ նաև ուսումնասիրում են SiC-MOSFET արտադրանքի օժանդակ ջրհեղեղի իրագործելիությունը: