En comparación con los semiconductores de potencia basados en silicio, los semiconductores de potencia de SiC (carburo de silicio) tienen ventajas significativas en frecuencia de conmutación, pérdida, 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 adquirir productos de carburo de silicio.
El SiC es tan "increíble", ¿cómo se fabricó? ¿Qué aplicaciones tiene ahora? ¡Veamos!
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 el silicio monocristalino, el carburo de silicio adopta principalmente el método de transporte de gas físico (PVT, también conocido como método de sublimación de cristal semilla o Lly mejorado), complementos del método de deposición química de gas a alta temperatura (HTCVD).
☆ Paso central
1. Materia prima sólida carbónica;
2. Después del calentamiento, el carburo sólido 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 y se transforma en un cristal.
Fuente de la imagen: “Aspecto técnico para desmontar el carburo de silicio de crecimiento PVT”
La diferente fabricación 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 a base de carbono supera los 2300 °C y la presión es de 350 MPa. Se lleva a cabo toda la caja oscura y es fácil mezclar las 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, con una velocidad de aproximadamente 0,3-0,5 mm/h, y puede crecer 2 cm en 7 días. El crecimiento máximo es de solo 3-5 cm, y el diámetro del lingote de cristal suele ser de entre 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, entra en el proceso de producción del sustrato.
Después de un corte selectivo, rectificado (rectificado basto, rectificado fino), pulido (pulido mecánico) y pulido de ultraprecisión (pulido químico-mecánico), se obtiene el sustrato de carburo de silicio.
El sustrato juega principalmenteEl papel del soporte físico, la conductividad térmica y la conductividad.La dificultad del procesamiento radica en que el carburo de silicio presenta propiedades químicas altas, crujientes y estables. Por lo tanto, los métodos tradicionales de procesamiento 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,Los modelos de 4 y 6 pulgadas utilizan principalmente equipos de corte de múltiples líneas.cortar cristales de silicio en láminas 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 el proceso tradicional de corte de múltiples cables, la pérdida es de 1/4,El proceso de agrietamiento 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 potencia directamente sobre el sustrato, se requieren varios dispositivos en la capa de extensión.
Por lo tanto, una vez finalizada la producción del sustrato, se cultiva una película delgada de un solo cristal específico sobre el sustrato a través del proceso de extensión.
En la actualidad, se utiliza principalmente el proceso del método de deposición química de gas (CVD).
Diseño
Una vez fabricado el sustrato, entra en la etapa de diseño del producto.
Para MOSFET, el enfoque 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,satisfacer los costos de fabricación y manufacturabilidad.
Fabricación de obleas
Una vez completado el diseño del producto, entra en la etapa de fabricación de obleas,y el proceso es aproximadamente similar al del silicio, que principalmente tiene los siguientes 5 pasos.
☆Paso 1: Inyectar la mascarilla
Se fabrica una capa de película de óxido de silicio (SiO2), se recubre la fotorresistencia, se forma el patrón de fotorresistencia a través de los pasos de homogeneización, exposición, revelado, etc., y la figura se transfiere a la película de óxido a través del 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 recocen 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 de tipo P para formar una región conductora de tipo N del drenaje y la fuente, y los iones de nitrógeno implantados se recocen para activarlos.
☆Paso 3: Haz la cuadrícula
Construya la rejilla. En la zona entre la fuente y el drenador, se prepara la capa de óxido de compuerta mediante un proceso de oxidación a alta temperatura, y se deposita la capa de electrodo de compuerta para formar la estructura de control de compuerta.
☆Paso 4: Realización de capas de pasivación
Se crea una capa de pasivación. Se deposita una capa de pasivación con buenas características de aislamiento para evitar la ruptura entre electrodos.
☆Paso 5: Fabricar electrodos de fuente de drenaje
Se crea un drenaje y una fuente. Se perfora la capa de pasivación y se pulveriza metal para formar un drenaje y una fuente.
Fuente de la foto: Capital Xinxi
Aunque existe 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 entorno de alta temperatura.(hasta 1600 ° C), la temperatura alta afectará la estructura reticular del propio material y la dificultad también afectará el rendimiento.
Además, para los 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 de 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).
Tras la fabricación de la oblea, cada chip se corta en un chip desnudo y se puede empaquetar según su propósito. El proceso habitual para dispositivos discretos es el empaquetado TO.
MOSFET CoolSiC™ de 650 V en encapsulado TO-247
Foto: Infineon
El campo automotriz tiene requisitos de alta potencia y disipación de calor, y a veces es necesario construir directamente circuitos de puente (medio puente o puente completo, o directamente empaquetados con diodos).
Por lo tanto, a menudo se encapsula directamente en módulos o sistemas. Según la cantidad de chips encapsulados 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 de 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, aproximadamente 200 ° C.
La temperatura de fusión de la soldadura blanda tradicional es baja, por lo que no cumple con los requisitos de temperatura. Por lo tanto, los módulos de carburo de silicio suelen utilizar el 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 desnudo proviene de ST, paquete de desarrollo propio y sistema de accionamiento eléctrico.
☆02 ¿Estado de aplicación del SiC?
En el campo de la automoción, los dispositivos de potencia se utilizan principalmente enDCDC, OBC, inversores de motor, inversores de aire acondicionado eléctrico, carga inalámbrica y otras piezasque requieren una conversión rápida de CA/CC (CC/CC actúa principalmente como un interruptor rápido).
Foto: BorgWarner
En comparación con los materiales a base de silicio, los materiales SIC tienen mayorIntensidad crítica del campo de ruptura por avalancha(3×106V/cm),mejor conductividad térmica(49 W/mK) ybanda prohibida más amplia(3,26eV).
Cuanto mayor sea la banda prohibida, menor será la corriente de fuga y mayor la eficiencia. Cuanto mejor sea la conductividad térmica, mayor será la densidad de corriente. Cuanto más intenso sea el campo crítico de ruptura por avalancha, mayor será la resistencia a la tensión del dispositivo.
Por lo tanto, en el campo de alto voltaje a bordo, los MOSFET y SBD preparados con materiales de carburo de silicio para reemplazar la combinación existente de IGBT y FRD basados en 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, lo más probable es que se logren aplicaciones a gran escala en inversores de motor, seguidos de OBC y DCDC.
Plataforma de voltaje de 800 V
En la plataforma de voltaje de 800 V, la ventaja de la alta frecuencia hace que las empresas se inclinen más por la solución SiC-MOSFET. Por lo tanto, la mayoría de los sistemas actuales de control electrónico de 800 V utilizan SiC-MOSFET.
La planificación a nivel de plataforma incluyeE-GMP moderno, GM Oenergy – campo de recogida, Porsche PPE y Tesla EPA.A excepción de los modelos de la plataforma Porsche PPE que no llevan explícitamente SiC-MOSFET (el primer modelo es un IGBT basado en sílice), otras plataformas de vehículos adoptan esquemas SiC-MOSFET.
Plataforma energética Universal Ultra
La planificación del modelo 800V es más,La marca del salón de la Gran Muralla Jiagirong, la versión Beiqi pole Fox S HI, el coche ideal S01 y W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 dijo que llevará la plataforma 800V, además de BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, cero Run, FAW Red Flag, Volkswagen también dijo que la tecnología 800V está en investigación.
A partir de la situación de los pedidos de 800 V obtenidos por proveedores de nivel 1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics y HuichuanTodos los pedidos de accionamiento eléctrico de 800 V anunciados.
Plataforma de voltaje de 400 V
En la plataforma de voltaje de 400 V, SiC-MOSFET se centra principalmente en la consideración de alta potencia y densidad de potencia y alta eficiencia.
Al igual que el motor del Tesla Model 3\Y, que ya se produce en masa, 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 del ET7 y el ET5, que se detallarán más adelante. La potencia máxima es de 240 kW (ET5: 210 kW).
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
