En comparación con los semiconductores de potencia basados en silicio, los semiconductores de potencia de SiC (carburo de silicio) tienen ventajas significativas en cuanto a frecuencia de conmutación, pérdidas, disipación de calor, miniaturización, etc.
Con la producción a gran escala de inversores de carburo de silicio por parte de Tesla, más empresas también han comenzado a comercializar productos de carburo de silicio.
El SiC es tan “asombroso”, ¿cómo se hizo? ¿Cuáles son las aplicaciones ahora? ¡Vamos a ver!
01 ☆ Nacimiento de un SiC
Al igual que otros semiconductores de potencia, la cadena industrial SiC-MOSFET incluyeel largo vínculo cristal – sustrato – epitaxia – diseño – fabricación – embalaje.
cristal largo
Durante el enlace de cristal largo, a diferencia de la preparación del método Tira utilizado por silicio monocristalino, el carburo de silicio adopta principalmente el método de transporte físico de gas (PVT, también conocido como Lly mejorado o método de sublimación de cristal semilla), método de deposición química de gas a alta temperatura (HTCVD ) suplementos.
☆ Paso principal
1. Materia prima sólida carbónica;
2. Después del calentamiento, el sólido de carburo se convierte en gas;
3. El gas se mueve hacia la superficie del cristal semilla;
4. El gas crece en la superficie del cristal semilla hasta convertirse en un cristal.
Fuente de la imagen: “Punto técnico para desmontar el carburo de silicio de crecimiento PVT”
La diferente artesanía ha provocado dos grandes desventajas en comparación con la base de silicio:
En primer lugar, la producción es difícil y el rendimiento es bajo.La temperatura de la fase gaseosa basada en carbono crece por encima de los 2300 ° C y la presión es de 350 MPa. Se lleva a cabo toda la caja oscura y es fácil de mezclar con impurezas. El rendimiento es menor que el de la base de silicio. Cuanto mayor sea el diámetro, menor será el rendimiento.
El segundo es el crecimiento lento.La gobernanza del método PVT es muy lenta, la velocidad es de aproximadamente 0,3-0,5 mm/h y puede crecer 2 cm en 7 días. El máximo sólo puede crecer de 3 a 5 cm, y el diámetro del lingote de cristal es principalmente de 4 y 6 pulgadas.
El 72H, basado en silicio, puede crecer hasta una altura de 2 a 3 m, con diámetros en su mayoría de 6 pulgadas y una nueva capacidad de producción de 8 pulgadas para 12 pulgadas.Por lo tanto, el carburo de silicio a menudo se denomina lingote de cristal y el silicio se convierte en una barra de cristal.
Lingotes de cristal de carburo de silicio
sustrato
Una vez completado el cristal largo, ingresa al proceso de producción del sustrato.
Después del corte específico, el esmerilado (esmerilado basto, esmerilado fino), el pulido (pulido mecánico), el pulido de ultraprecisión (pulido mecánico químico), se obtiene el sustrato de carburo de silicio.
El sustrato juega principalmenteel papel del soporte físico, la conductividad térmica y la conductividad.La dificultad de procesamiento es que el material de carburo de silicio es alto, crujiente y estable en propiedades químicas. Por lo tanto, los métodos de procesamiento tradicionales basados en silicio no son adecuados para sustratos de carburo de silicio.
La calidad del efecto de corte afecta directamente el rendimiento y la eficiencia de utilización (costo) de los productos de carburo de silicio, por lo que se requiere que sea pequeño, de espesor uniforme y de bajo corte.
Actualmente,Las de 4 y 6 pulgadas utilizan principalmente equipos de corte multilínea,cortar cristales de silicio en rodajas finas con un espesor no superior a 1 mm.
Diagrama esquemático de corte multilínea
En el futuro, con el aumento del tamaño de las obleas de silicio carbonizado, aumentarán los requisitos de utilización de materiales y también se aplicarán gradualmente tecnologías como el corte por láser y la separación en frío.
En 2018, Infineon adquirió Siltectra GmbH, que desarrolló un proceso innovador conocido como craqueo en frío.
En comparación con la pérdida tradicional del proceso de corte de múltiples cables de 1/4,el proceso de craqueo en frío solo perdió 1/8 del material de carburo de silicio.
Extensión
Dado que el material de carburo de silicio no puede fabricar dispositivos de energía directamente sobre el sustrato, se requieren varios dispositivos en la capa de extensión.
Por lo tanto, una vez completada la producción del sustrato, se hace crecer una película delgada de monocristal específica sobre el sustrato mediante el proceso de extensión.
En la actualidad, se utiliza principalmente el proceso del método de deposición química de gases (CVD).
Diseño
Una vez elaborado el sustrato, entra en la etapa de diseño del producto.
Para MOSFET, el foco del proceso de diseño es el diseño de la ranura,por un lado para evitar la infracción de patentes(Infineon, Rohm, ST, etc., tienen diseño de patente), y por otro lado paraCumplir con la capacidad de fabricación y los costos de fabricación.
fabricación de obleas
Una vez completado el diseño del producto, entra en la etapa de fabricación de obleas.y el proceso es más o menos similar al del silicio, que tiene principalmente los siguientes 5 pasos.
☆Paso 1: inyectar la mascarilla
Se fabrica una capa de película de óxido de silicio (SiO2), se recubre el fotorresistente, se forma el patrón del fotorresistente mediante los pasos de homogeneización, exposición, revelado, etc., y la figura se transfiere a la película de óxido mediante el proceso de grabado.
☆Paso 2: implantación de iones
La oblea de carburo de silicio enmascarada se coloca en un implantador de iones, donde se inyectan iones de aluminio para formar una zona de dopaje tipo P y se recoce para activar los iones de aluminio implantados.
Se elimina la película de óxido, se inyectan iones de nitrógeno en una región específica de la región de dopaje tipo P para formar una región conductora de tipo N del drenaje y la fuente, y los iones de nitrógeno implantados se templan para activarlos.
☆Paso 3: Haz la cuadrícula
Haz la cuadrícula. En el área entre la fuente y el drenaje, la capa de óxido de compuerta se prepara mediante un proceso de oxidación a alta temperatura y la capa de electrodo de compuerta se deposita para formar la estructura de control de compuerta.
☆Paso 4: Hacer capas de pasivación
Se realiza una capa de pasivación. Deposite una capa de pasivación con buenas características de aislamiento para evitar la rotura entre electrodos.
☆Paso 5: Hacer electrodos de fuente de drenaje
Hacer drenaje y fuente. La capa de pasivación se perfora y el metal se pulveriza para formar un drenaje y una fuente.
Fuente de la foto: Capital Xinxi
Aunque hay poca diferencia entre el nivel de proceso y el basado en silicio, debido a las características de los materiales de carburo de silicio,La implantación y el recocido de iones deben realizarse en un ambiente de alta temperatura.(hasta 1600 ° C), las altas temperaturas afectarán la estructura reticular del material en sí y la dificultad también afectará el rendimiento.
Además, para componentes MOSFET,La calidad del oxígeno de la puerta afecta directamente la movilidad del canal y la confiabilidad de la puerta., porque hay dos tipos de átomos de silicio y carbono en el material de carburo de silicio.
Por lo tanto, se requiere un método de crecimiento del medio de puerta especial (otro punto es que la lámina de carburo de silicio es transparente y la alineación de la posición en la etapa de fotolitografía es difícil para el silicio).
Una vez completada la fabricación de la oblea, el chip individual se corta en un chip desnudo y se puede envasar según el propósito. El proceso común para dispositivos discretos es el paquete TO.
MOSFET CoolSiC™ de 650 V en paquete TO-247
Foto de : Infineon
El campo de la automoción tiene requisitos de alta potencia y disipación de calor y, a veces, es necesario construir circuitos puente directamente (medio puente o puente completo, o empaquetados directamente con diodos).
Por lo tanto, a menudo se empaqueta directamente en módulos o sistemas. Según la cantidad de chips empaquetados en un solo módulo, la forma común es 1 en 1 (BorgWarner), 6 en 1 (Infineon), etc., y algunas empresas utilizan un esquema paralelo de un solo tubo.
Víbora Borgwarner
Admite refrigeración por agua de doble cara y SiC-MOSFET
Módulos MOSFET Infineon CoolSiC™
A diferencia del silicio,Los módulos de carburo de silicio funcionan a una temperatura más alta, alrededor de 200 ° C.
La temperatura del punto de fusión de la temperatura de soldadura blanda tradicional es baja, no puede cumplir con los requisitos de temperatura. Por lo tanto, los módulos de carburo de silicio suelen utilizar un proceso de soldadura por sinterización de plata a baja temperatura.
Una vez completado el módulo, se puede aplicar al sistema de piezas.
Controlador de motor Tesla Model3
El chip básico proviene de ST, un paquete de desarrollo propio y un sistema de propulsión eléctrica.
☆02 ¿Estado de aplicación de SiC?
En el campo de la automoción, los dispositivos de potencia se utilizan principalmente enDCDC, OBC, inversores de motor, inversores de aire acondicionado eléctricos, carga inalámbrica y otras piezasque requieren conversión rápida CA/CC (DCDC actúa principalmente como un interruptor rápido).
Foto de : BorgWarner
En comparación con los materiales a base de silicio, los materiales SIC tienen mayorintensidad del campo crítico de ruptura de avalancha(3×106V/cm),mejor conductividad térmica(49W/mK) ybanda prohibida más amplia(3,26 eV).
Cuanto más amplia sea la banda prohibida, menor será la corriente de fuga y mayor será la eficiencia. Cuanto mejor sea la conductividad térmica, mayor será la densidad de corriente. Cuanto más fuerte sea el campo crítico de ruptura de avalanchas, se podrá mejorar la resistencia a la tensión del dispositivo.
Por lo tanto, en el campo del alto voltaje a bordo, los MOSFET y SBD preparados con materiales de carburo de silicio para reemplazar la combinación existente de IGBT y FRD a base de silicio pueden mejorar efectivamente la potencia y la eficiencia.especialmente en escenarios de aplicaciones de alta frecuencia para reducir las pérdidas de conmutación.
En la actualidad, es más probable que logre aplicaciones a gran escala en inversores de motor, seguidos de OBC y DCDC.
Plataforma de voltaje de 800V
En la plataforma de voltaje de 800 V, la ventaja de la alta frecuencia hace que las empresas estén más inclinadas a elegir la solución SiC-MOSFET. Por lo tanto, la mayor parte del control electrónico actual de 800 V planifica SiC-MOSFET.
La planificación a nivel de plataforma incluyeE-GMP moderno, GM Otenergy – camioneta de campo, Porsche PPE y Tesla EPA.A excepción de los modelos de plataforma Porsche PPE que no llevan explícitamente SiC-MOSFET (el primer modelo es IGBT basado en sílice), otras plataformas de vehículos adoptan esquemas SiC-MOSFET.
Plataforma universal de energía Ultra
La planificación del modelo de 800V es más,la marca Jiagirong del Great Wall Salon, versión Beiqi pole Fox S HI, automóvil ideal S01 y W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 dijo que llevará una plataforma de 800V, además de BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen también dijo que la tecnología de 800V está en investigación.
De la situación de los pedidos de 800V obtenidos por proveedores Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics y Huichuantodos anunciaron pedidos de propulsión eléctrica de 800 V.
Plataforma de voltaje de 400V
En la plataforma de voltaje de 400 V, SiC-MOSFET se considera principalmente alta potencia y densidad de potencia y alta eficiencia.
Como el motor Tesla Model 3\Y que se ha producido en masa ahora, la potencia máxima del motor BYD Hanhou es de aproximadamente 200 Kw (Tesla 202 Kw, 194 Kw, 220 Kw, BYD 180 Kw), NIO también utilizará productos SiC-MOSFET a partir de ET7. y el ET5 que se listará más adelante. La potencia máxima es de 240Kw (ET5 210Kw).
Además, desde la perspectiva de la alta eficiencia, algunas empresas también están explorando la viabilidad de productos SiC-MOSFET de inundación auxiliar.
Hora de publicación: 08-jul-2023
