Սիլիցիումային հիմքով հզորության կիսահաղորդիչների համեմատ, SiC (սիլիցիումի կարբիդ) հզորության կիսահաղորդիչներն ունեն զգալի առավելություններ անջատման հաճախականության, կորստի, ջերմության ցրման, մինիատուրացման և այլնի առումով:
Tesla-ի կողմից սիլիցիումի կարբիդային ինվերտորների լայնածավալ արտադրության հետ մեկտեղ, ավելի շատ ընկերություններ նույնպես սկսել են ձեռք բերել սիլիցիումի կարբիդային արտադրանք։
SiC-ն այնքան «հիանալի» է, ինչպե՞ս է այն պատրաստվել։ Ի՞նչ կիրառություններ ունի հիմա։ Տեսնենք։
01 ☆ SiC-ի ծնունդը
Ինչպես մյուս հզոր կիսահաղորդիչները, SiC-MOSFET արդյունաբերական շղթան ներառում էերկար բյուրեղ-սուբստրատ-էպիտաքսիա-նախագծում-արտադրություն-փաթեթավորում կապը։
Երկար բյուրեղ
Երկար բյուրեղային կապի ընթացքում, ի տարբերություն միաբյուրեղային սիլիցիումի կողմից օգտագործվող Տիրայի մեթոդի պատրաստման, սիլիցիումի կարբիդը հիմնականում կիրառում է ֆիզիկական գազի փոխադրման մեթոդը (PVT, որը հայտնի է նաև որպես բարելավված Lly կամ սերմերի բյուրեղային սուբլիմացիայի մեթոդ), բարձր ջերմաստիճանի քիմիական գազի նստեցման մեթոդի (HTCVD) լրացումները։
☆ Հիմնական քայլ
1. Ածխածնային պինդ հումք։
2. Տաքացնելուց հետո կարբիդային պինդ նյութը դառնում է գազային։
3. Գազի տեղաշարժ դեպի սերմնաբյուրեղի մակերեսը։
4. Գազը սերմնային բյուրեղի մակերեսին աճում է՝ վերածվելով բյուրեղի։
Նկարի աղբյուր՝ «Տեխնիկական կետ PVT աճեցման սիլիցիումի կարբիդի ապամոնտաժման համար»
Տարբեր արհեստագործությունը սիլիկոնային հիմքի համեմատ երկու հիմնական թերություն է առաջացրել.
Նախ, արտադրությունը դժվար է, իսկ բերքատվությունը՝ ցածր։Ածխածնային գազային փուլի ջերմաստիճանը բարձրանում է 2300°C-ից բարձր, իսկ ճնշումը՝ 350 ՄՊա: Ամբողջ մութ արկղը մաքրվում է, և այն հեշտությամբ խառնվում է խառնուրդների հետ: Արդյունավետությունը ցածր է, քան սիլիցիումային հիմքի դեպքում: Որքան մեծ է տրամագիծը, այնքան ցածր է արդյունավետությունը:
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-ով 7 օրվա ընթացքում: Առավելագույնը կարող է աճել միայն 3-5 սմ-ով, իսկ բյուրեղային ձուլակտորի տրամագիծը հիմնականում 4 և 6 դյույմ է:
Սիլիցիումի վրա հիմնված 72H-ը կարող է աճել մինչև 2-3 մ բարձրություն, հիմնականում 6 դյույմ տրամագծով և 8 դյույմ նոր արտադրական հզորությամբ՝ 12 դյույմի համար։Հետևաբար, սիլիցիումի կարբիդը հաճախ անվանում են բյուրեղային ձուլակտոր, իսկ սիլիցիումը դառնում է բյուրեղային ձողիկ։
Կարբիդային սիլիցիումային բյուրեղային ձուլակտորներ
Հիմք
Երկար բյուրեղի ավարտից հետո այն մտնում է հիմքի արտադրության գործընթաց։
Նպատակային կտրումից, հղկումից (կոպիտ հղկում, նուրբ հղկում), հղկումից (մեխանիկական հղկում), գերճշգրիտ հղկումից (քիմիական մեխանիկական հղկում) հետո ստացվում է սիլիցիումի կարբիդային հիմք։
Սուբստրատը հիմնականում խաղում էֆիզիկական հենարանի, ջերմահաղորդականության և հաղորդունակության դերը։Մշակման դժվարությունն այն է, որ սիլիցիումի կարբիդային նյութը բարձր, փխրուն և կայուն քիմիական հատկություններ ունի։ Հետևաբար, սիլիցիումի վրա հիմնված ավանդական մշակման մեթոդները հարմար չեն սիլիցիումի կարբիդային հիմքի համար։
Կտրման էֆեկտի որակը անմիջականորեն ազդում է սիլիցիումի կարբիդային արտադրանքի արտադրողականության և օգտագործման արդյունավետության (արժեքի) վրա, ուստի այն պետք է լինի փոքր, միատարր հաստությամբ և ցածր կտրվածքով։
Ներկայումս,4 դյույմանոց և 6 դյույմանոցները հիմնականում օգտագործում են բազմաշերտ կտրող սարքավորումներ,սիլիցիումի բյուրեղները կտրելով բարակ շերտերի՝ ոչ ավելի, քան 1 մմ հաստությամբ։
Բազմաշերտ կտրման սխեմատիկ դիագրամ
Ապագայում, ածխածնացված սիլիցիումային վաֆլիների չափերի մեծացման հետ մեկտեղ, կաճի նյութերի օգտագործման պահանջարկը, և աստիճանաբար կկիրառվեն նաև այնպիսի տեխնոլոգիաներ, ինչպիսիք են լազերային կտրատումը և սառը տարանջատումը։
2018 թվականին Infineon-ը ձեռք բերեց Siltectra GmbH-ն, որը մշակել էր սառը կրեկինգ անվամբ հայտնի նորարարական գործընթաց։
Համեմատած ավանդական բազմալար կտրման գործընթացի 1/4 կորստի հետ,Սառը կոտրման գործընթացում կորցվեց սիլիցիումի կարբիդային նյութի միայն 1/8-ը։
Ընդլայնում
Քանի որ սիլիցիումի կարբիդային նյութը չի կարող սնուցման սարքեր պատրաստել անմիջապես հիմքի վրա, երկարացման շերտի վրա անհրաժեշտ են տարբեր սարքեր։
Հետևաբար, հիմքի արտադրությունն ավարտվելուց հետո, երկարացման գործընթացի միջոցով հիմքի վրա աճեցվում է հատուկ միաբյուրեղային բարակ թաղանթ։
Ներկայումս հիմնականում կիրառվում է քիմիական գազի նստեցման մեթոդը (CVD):
Դիզայն
Հիմքը պատրաստելուց հետո այն անցնում է արտադրանքի նախագծման փուլին։
MOSFET-ի համար նախագծման գործընթացի ուշադրության կենտրոնում է ակոսի նախագծումը,մի կողմից՝ արտոնագրային իրավունքի խախտումից խուսափելու համար(Infineon-ը, Rohm-ը, ST-ն և այլն ունեն արտոնագրային դասավորություն), իսկ մյուս կողմից՝բավարարել արտադրության և արտադրության ծախսերը։
Վաֆլիների արտադրություն
Արտադրանքի նախագծումն ավարտվելուց հետո այն անցնում է վաֆլիների արտադրության փուլին,և գործընթացը մոտավորապես նման է սիլիցիումի գործընթացին, որը հիմնականում ունի հետևյալ 5 քայլերը։
☆Քայլ 1. Ներարկեք դիմակը
Պատրաստվում է սիլիցիումի օքսիդի (SiO2) թաղանթի շերտ, պատվում է լուսառեզիստը, հոմոգենացման, էքսպոզիցիայի, զարգացման և այլն քայլերի միջոցով ձևավորվում է լուսառեզիստի նախշը, և փորագրման գործընթացի միջոցով ֆիգուրը փոխանցվում է օքսիդային թաղանթին։
☆Քայլ 2. Իոնային իմպլանտացիա
Դիմակավորված սիլիցիումի կարբիդային վեֆլը տեղադրվում է իոնային իմպլանտատորի մեջ, որտեղ ալյումինի իոններ են ներարկվում՝ P-տիպի դոպինգի գոտի ձևավորելու համար, և թրծվում՝ իմպլանտացված ալյումինի իոնները ակտիվացնելու համար։
Օքսիդային թաղանթը հեռացվում է, ազոտի իոնները ներարկվում են P-տիպի խառնուրդի որոշակի հատված՝ ջրահեռացման և աղբյուրի N-տիպի հաղորդիչ հատված ձևավորելու համար, և իմպլանտացված ազոտի իոնները թրծվում են՝ դրանք ակտիվացնելու համար։
☆Քայլ 3. Ստեղծեք ցանցը
Կառուցեք ցանցը։ Աղբյուրի և ջրահեռացման միջև ընկած տարածքում դարպասի օքսիդային շերտը պատրաստվում է բարձր ջերմաստիճանային օքսիդացման գործընթացով, և դարպասի էլեկտրոդի շերտը նստեցվում է՝ դարպասի կառավարման կառուցվածքը ձևավորելու համար։
☆Քայլ 4. Պասիվացման շերտերի պատրաստում
Պատրաստված է պասիվացման շերտ։ Տեղադրեք լավ մեկուսացման բնութագրերով պասիվացման շերտ՝ միջէլեկտրոդային խզումը կանխելու համար։
☆Քայլ 5. Պատրաստեք արտահոսքի աղբյուրի էլեկտրոդներ
Պատրաստեք ջրահեռացման խողովակ և աղբյուր։ Պասիվացման շերտը անցքավորվում է, և մետաղը փոշիացվում է՝ ջրահեռացման խողովակ և աղբյուր ձևավորելու համար։
Լուսանկարի աղբյուր՝ Xinxi Capital
Չնայած գործընթացային մակարդակի և սիլիցիումի վրա հիմնված նյութերի միջև փոքր տարբերություն կա, սիլիցիումի կարբիդային նյութերի բնութագրերի պատճառով,Իոնային իմպլանտացիան և թրծումը պետք է իրականացվեն բարձր ջերմաստիճանային միջավայրում(մինչև 1600 ° C), բարձր ջերմաստիճանը կազդի նյութի ցանցային կառուցվածքի վրա, և դժվարությունը նույնպես կազդի բերքատվության վրա:
Բացի այդ, MOSFET բաղադրիչների համար,Դարպասի թթվածնի որակը անմիջականորեն ազդում է ալիքի շարժունակության և դարպասի հուսալիության վրա, քանի որ սիլիցիումի կարբիդային նյութում կան երկու տեսակի սիլիցիումի և ածխածնի ատոմներ։
Հետևաբար, անհրաժեշտ է հատուկ դարպասային միջավայրի աճի մեթոդ (մեկ այլ կետ էլ այն է, որ սիլիցիումի կարբիդի թերթիկը թափանցիկ է, և լուսանկարչական լիտոգրաֆիայի փուլում դիրքի հավասարեցումը դժվար է սիլիցիումացնել):
Վաֆլիի արտադրությունն ավարտվելուց հետո, առանձին չիպը կտրվում է մաքուր չիպի և կարող է փաթեթավորվել ըստ նպատակի: Առանձին սարքերի համար տարածված գործընթացը TO փաթեթավորումն է:
650V CoolSiC™ MOSFET-ներ TO-247 փաթեթում
Լուսանկար՝ Infineon
Ավտոմոբիլային ոլորտը ունի բարձր հզորության և ջերմության ցրման պահանջներ, և երբեմն անհրաժեշտ է անմիջապես կառուցել կամրջային սխեմաներ (կես կամուրջ կամ լրիվ կամուրջ, կամ ուղղակիորեն դիոդներով փաթեթավորված):
Հետևաբար, այն հաճախ փաթեթավորվում է անմիջապես մոդուլների կամ համակարգերի մեջ: Մեկ մոդուլում փաթեթավորված չիպերի քանակի համաձայն՝ տարածված ձևը 1-ը 1-ում է (BorgWarner), 6-ը 1-ում (Infineon) և այլն, և որոշ ընկերություններ օգտագործում են մեկ խողովակով զուգահեռ սխեմա:
Բորգվարներ Վիպեր
Աջակցում է երկկողմանի ջրային սառեցմանը և SiC-MOSFET-ին
Infineon CoolSiC™ MOSFET մոդուլներ
Ի տարբերություն սիլիցիումի,Սիլիկոնային կարբիդային մոդուլները գործում են ավելի բարձր ջերմաստիճանում, մոտ 200 ° C:
Ավանդական փափուկ զոդման ջերմաստիճանը ցածր է, չի կարող բավարարել ջերմաստիճանի պահանջները: Հետևաբար, սիլիցիումի կարբիդային մոդուլները հաճախ օգտագործում են ցածր ջերմաստիճանի արծաթե սինտերացման եռակցման գործընթաց:
Մոդուլի ավարտից հետո այն կարող է կիրառվել մասերի համակարգում։
Tesla Model3 շարժիչի կառավարիչ
Մերկ չիպը գալիս է ST-ից, ինքնուրույն մշակված փաթեթից և էլեկտրական շարժիչի համակարգից
☆02 SiC-ի կիրառման կարգավիճակը։
Ավտոմոբիլային ոլորտում էլեկտրական սարքերը հիմնականում օգտագործվում ենDCDC, OBC, շարժիչի ինվերտորներ, էլեկտրական օդորակիչների ինվերտորներ, անլար լիցքավորում և այլ մասերորոնք պահանջում են AC/DC արագ փոխակերպում (DCDC-ն հիմնականում գործում է որպես արագ անջատիչ):
Լուսանկար՝ ԲորգՎորներ
Սիլիցիումի վրա հիմնված նյութերի համեմատ, SIC նյութերն ունեն ավելի բարձրկրիտիկական ձնահոսքի փլուզման դաշտի ուժգնություն(3×106Վ/սմ),ավելի լավ ջերմային հաղորդունակություն(49 Վտ/մԿ) ևավելի լայն գոտիական բաց(3.26 էՎ):
Որքան լայն է արգելակային գոտին, այնքան փոքր է արտահոսքի հոսանքը և այնքան բարձր է արդյունավետությունը։ Որքան լավ է ջերմահաղորդականությունը, այնքան բարձր է հոսանքի խտությունը։ Որքան ուժեղ է կրիտիկական ձնահոսքի ճեղքման դաշտը, այնքան կարելի է բարելավել սարքի լարման դիմադրությունը։
Հետևաբար, բարձր լարման ներկառուցված համակարգերի ոլորտում, սիլիցիումի կարբիդային նյութերից պատրաստված MOSFET-ները և SBD-ները, որոնք փոխարինում են սիլիցիումի վրա հիմնված IGBT և FRD համադրությունը, կարող են արդյունավետորեն բարելավել հզորությունն ու արդյունավետությունը,հատկապես բարձր հաճախականության կիրառման սցենարներում՝ անջատման կորուստները նվազեցնելու համար։
Ներկայումս, ամենայն հավանականությամբ, այն կհասնի լայնածավալ կիրառությունների շարժիչային ինվերտորներում, որոնց հաջորդում են OBC-ն և DCDC-ն։
800 Վ լարման հարթակ
800 Վ լարման հարթակում բարձր հաճախականության առավելությունը ձեռնարկություններին ավելի հակված է դարձնում SiC-MOSFET լուծումը ընտրելուն։ Հետևաբար, ներկայիս 800 Վ էլեկտրոնային կառավարման պլանավորման մեծ մասը SiC-MOSFET է։
Հարթակի մակարդակի պլանավորումը ներառում էժամանակակից E-GMP, GM Otenergy – բեռնատար մեքենաների դաշտ, Porsche PPE և Tesla EPA։Բացառությամբ Porsche PPE հարթակի մոդելների, որոնք բացահայտորեն չեն օգտագործում SiC-MOSFET (առաջին մոդելը սիլիցիումի վրա հիմնված IGBT է), մյուս մեքենաների հարթակները կիրառում են SiC-MOSFET սխեմաները։
Ունիվերսալ Ուլտրա Էներգետիկ Հարթակ
800V մոդելի պլանավորումն ավելին է,Great Wall Salon ապրանքանիշը՝ Jiagirong, Beiqi Pole Fox S HI տարբերակը, ideal car S01 և W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11-ը հայտարարել է, որ այն կրելու է 800V հարթակ, բացի BYD-ից, Lantu-ից, GAC 'an-ից, Mercedes-Benz-ից, Zero Run-ից, FAW Red Flag-ից, Volkswagen-ը նույնպես հայտարարել է, որ 800V տեխնոլոգիան ուսումնասիրվում է։
Tier1 մատակարարների կողմից ստացված 800V պատվերների իրավիճակից ելնելով՝ԲորգՎորներ, Վիպայ Թեքնոլոջի, ԶՖ, Յունայթեդ Էլեկտրոնիքս և Հուիչուանբոլոր հայտարարված 800 Վ էլեկտրական շարժիչի պատվերները։
400 Վ լարման հարթակ
400 Վ լարման հարթակում SiC-MOSFET-ը հիմնականում հաշվի է առնում բարձր հզորությունը և հզորության խտությունը, ինչպես նաև բարձր արդյունավետությունը։
Ինչպես Tesla Model 3\Y շարժիչը, որը այժմ մասսայաբար արտադրվում է, BYD Hanhou շարժիչի գագաթնակետային հզորությունը մոտ 200 կՎտ է (Tesla 202 կՎտ, 194 կՎտ, 220 կՎտ, BYD 180 կՎտ), NIO-ն նաև կօգտագործի SiC-MOSFET արտադրանքներ՝ սկսած ET7-ից և ET5-ից, որոնք կներկայացվեն ավելի ուշ: Գագաթնակետային հզորությունը 240 կՎտ է (ET5 210 կՎտ):
Բացի այդ, բարձր արդյունավետության տեսանկյունից, որոշ ձեռնարկություններ ուսումնասիրում են նաև օժանդակ ջրհեղեղային SiC-MOSFET արտադրանքի հնարավորությունը։
Հրապարակման ժամանակը. Հուլիս-08-2023
