Rispetto ai semiconduttori di potenza a base di silicio, i semiconduttori di potenza SiC (carburo di silicio) presentano notevoli vantaggi in termini di frequenza di commutazione, perdita, dissipazione del calore, miniaturizzazione, ecc.
Con la produzione su larga scala di inverter in carburo di silicio da parte di Tesla, anche altre aziende hanno iniziato a commercializzare prodotti in carburo di silicio.
Il SiC è così "incredibile", come diavolo è stato realizzato? Quali sono le sue applicazioni attuali? Vediamo!
01 ☆ Nascita di un SiC
Come altri semiconduttori di potenza, la filiera industriale SiC-MOSFET comprendeil lungo collegamento cristallo – substrato – epitassia – progettazione – produzione – confezionamento.
Cristallo lungo
Durante il lungo collegamento cristallino, a differenza della preparazione del metodo Tira utilizzato dal silicio monocristallino, il carburo di silicio adotta principalmente il metodo di trasporto fisico del gas (PVT, noto anche come metodo di sublimazione del cristallo di seme o Lly migliorato), integrato dal metodo di deposizione chimica del gas ad alta temperatura (HTCVD).
☆ Fase centrale
1. Materia prima solida carbonica;
2. Dopo il riscaldamento, il carburo solido diventa gas;
3. Il gas si sposta sulla superficie del cristallo di origine;
4. Il gas cresce sulla superficie del cristallo di origine fino a formare un cristallo.
Fonte dell'immagine: "Punto tecnico per smontare il carburo di silicio per la crescita del PVT"
La diversa lavorazione ha causato due grandi svantaggi rispetto alla base in silicio:
Innanzitutto, la produzione è difficile e la resa è bassa.La temperatura della fase gassosa a base di carbonio supera i 2300 °C e la pressione è di 350 MPa. L'intera camera oscura viene realizzata ed è facile da miscelare con le impurità. La resa è inferiore rispetto alla base di silicio. Maggiore è il diametro, minore è la resa.
Il secondo è la crescita lenta.La gestione del metodo PVT è molto lenta, la velocità è di circa 0,3-0,5 mm/h e può crescere di 2 cm in 7 giorni. La crescita massima può essere di soli 3-5 cm e il diametro del lingotto di cristallo è solitamente di 4 e 6 pollici.
Il 72H a base di silicio può crescere fino a un'altezza di 2-3 m, con diametri per lo più di 6 pollici e 8 pollici, con una nuova capacità produttiva di 12 pollici.Per questo motivo il carburo di silicio viene spesso chiamato lingotto di cristallo e il silicio diventa un bastoncino di cristallo.
Lingotti di cristallo di silicio al carburo
Substrato
Una volta completato il lungo cristallo, si passa al processo di produzione del substrato.
Dopo il taglio mirato, la rettifica (sgrossatura, rettifica fine), la lucidatura (lucidatura meccanica), la lucidatura ultra precisa (lucidatura chimico-meccanica), si ottiene il substrato in carburo di silicio.
Il substrato svolge principalmenteil ruolo del supporto fisico, della conduttività termica e della conduttività.La difficoltà di lavorazione risiede nel fatto che il carburo di silicio è un materiale con proprietà chimiche elevate, croccanti e stabili. Pertanto, i metodi di lavorazione tradizionali a base di silicio non sono adatti al substrato di carburo di silicio.
La qualità dell'effetto di taglio influisce direttamente sulle prestazioni e sull'efficienza di utilizzo (costo) dei prodotti in carburo di silicio, pertanto è necessario che siano piccoli, di spessore uniforme e con un taglio basso.
Attualmente,4 pollici e 6 pollici utilizzano principalmente attrezzature di taglio multi-linea,tagliare i cristalli di silicio in fette sottili con uno spessore non superiore a 1 mm.
Schema di taglio multilinea
In futuro, con l'aumento delle dimensioni dei wafer di silicio carbonizzato, aumenterà anche la richiesta di utilizzo dei materiali e verranno gradualmente applicate anche tecnologie come il taglio laser e la separazione a freddo.
Nel 2018 Infineon ha acquisito Siltectra GmbH, che ha sviluppato un processo innovativo noto come cracking a freddo.
Rispetto al tradizionale processo di taglio multifilo la perdita è di 1/4,il processo di cracking a freddo ha comportato la perdita di solo 1/8 del materiale in carburo di silicio.
Estensione
Poiché il materiale in carburo di silicio non può realizzare dispositivi di potenza direttamente sul substrato, sono necessari vari dispositivi sullo strato di estensione.
Pertanto, una volta completata la produzione del substrato, sul substrato viene coltivato uno specifico film sottile monocristallino attraverso il processo di estensione.
Attualmente viene utilizzato principalmente il processo di deposizione chimica di gas (CVD).
Progetto
Una volta realizzato il substrato, si passa alla fase di progettazione del prodotto.
Per MOSFET, il focus del processo di progettazione è la progettazione della scanalatura,da un lato per evitare la violazione del brevetto(Infineon, Rohm, ST, ecc., hanno un layout brevettato), e d'altra parte persoddisfare i costi di producibilità e di produzione.
Fabbricazione di wafer
Una volta completata la progettazione del prodotto, si passa alla fase di produzione dei wafer,e il processo è più o meno simile a quello del silicio, che prevede principalmente i seguenti 5 passaggi.
☆Passaggio 1: Iniettare la maschera
Viene realizzato uno strato di pellicola di ossido di silicio (SiO2), il fotoresist viene rivestito, il modello del fotoresist viene formato attraverso le fasi di omogeneizzazione, esposizione, sviluppo, ecc. e la figura viene trasferita sulla pellicola di ossido attraverso il processo di incisione.
☆Fase 2: Impianto ionico
Il wafer di carburo di silicio mascherato viene inserito in un impiantatore di ioni, dove vengono iniettati ioni di alluminio per formare una zona di drogaggio di tipo P e sottoposto a ricottura per attivare gli ioni di alluminio impiantati.
La pellicola di ossido viene rimossa, gli ioni di azoto vengono iniettati in una regione specifica della regione di drogaggio di tipo P per formare una regione conduttiva di tipo N del drain e della source, e gli ioni di azoto impiantati vengono ricotti per attivarli.
☆Passaggio 3: Crea la griglia
Realizzare la griglia. Nell'area tra source e drain, lo strato di ossido di gate viene preparato mediante un processo di ossidazione ad alta temperatura, e lo strato di elettrodo di gate viene depositato per formare la struttura di controllo del gate.
☆Passaggio 4: Creazione di strati di passivazione
Viene realizzato uno strato di passivazione. Depositare uno strato di passivazione con buone caratteristiche isolanti per prevenire la rottura interelettrodica.
☆Passaggio 5: Realizzare gli elettrodi drain-source
Creare drain e source. Lo strato di passivazione viene perforato e il metallo viene spruzzato per formare drain e source.
Fonte foto: Xinxi Capital
Sebbene vi sia poca differenza tra il livello di processo e quello a base di silicio, a causa delle caratteristiche dei materiali in carburo di silicio,l'impianto ionico e la ricottura devono essere eseguiti in un ambiente ad alta temperatura(fino a 1600 °C), l'alta temperatura influenzerà la struttura reticolare del materiale stesso e la difficoltà influirà anche sulla resa.
Inoltre, per i componenti MOSFET,la qualità dell'ossigeno del gate influenza direttamente la mobilità del canale e l'affidabilità del gate, perché nel materiale di carburo di silicio sono presenti due tipi di atomi di silicio e di carbonio.
Pertanto, è necessario un metodo speciale di crescita del mezzo di gate (un altro punto è che il foglio di carburo di silicio è trasparente e l'allineamento della posizione nella fase di fotolitografia è difficile da realizzare).
Una volta completata la produzione del wafer, il singolo chip viene tagliato in un chip nudo e può essere confezionato in base allo scopo. Il processo comune per i dispositivi discreti è il package TO.
MOSFET CoolSiC™ da 650 V in package TO-247
Foto: Infineon
Il settore automobilistico ha requisiti elevati di potenza e dissipazione del calore e talvolta è necessario realizzare direttamente circuiti a ponte (mezzo ponte o ponte intero, oppure direttamente confezionati con diodi).
Pertanto, viene spesso confezionato direttamente in moduli o sistemi. A seconda del numero di chip confezionati in un singolo modulo, la forma più comune è 1 in 1 (BorgWarner), 6 in 1 (Infineon), ecc., e alcune aziende utilizzano uno schema parallelo a tubo singolo.
Vipera di Borgwarner
Supporta il raffreddamento ad acqua bifacciale e SiC-MOSFET
Moduli MOSFET Infineon CoolSiC™
A differenza del silicio,I moduli in carburo di silicio funzionano a una temperatura più elevata, circa 200 °C.
La temperatura di fusione della tradizionale saldatura dolce è bassa e non può soddisfare i requisiti di temperatura. Pertanto, i moduli in carburo di silicio utilizzano spesso il processo di saldatura a sinterizzazione d'argento a bassa temperatura.
Una volta completato il modulo, è possibile applicarlo al sistema delle parti.
Controller del motore Tesla Model 3
Il chip nudo proviene da ST, pacchetto auto-sviluppato e sistema di azionamento elettrico
☆02 Stato dell'applicazione del SiC?
Nel settore automobilistico, i dispositivi di potenza sono utilizzati principalmente inDCDC, OBC, inverter per motori, inverter per aria condizionata elettrica, ricarica wireless e altre partiche richiedono una rapida conversione AC/DC (la DCDC agisce principalmente come interruttore rapido).
Foto: BorgWarner
Rispetto ai materiali a base di silicio, i materiali SIC hanno una maggioreintensità del campo di rottura della valanga critica(3×106V/cm),migliore conduttività termica(49W/mK) egap di banda più ampio(3,26eV).
Maggiore è il gap di banda, minore è la corrente di dispersione e maggiore è l'efficienza. Migliore è la conduttività termica, maggiore è la densità di corrente. Più intenso è il campo critico di rottura a valanga, più è possibile migliorare la resistenza di tensione del dispositivo.
Pertanto, nel campo dell'alta tensione di bordo, i MOSFET e gli SBD preparati con materiali in carburo di silicio per sostituire l'attuale combinazione IGBT e FRD a base di silicio possono migliorare efficacemente la potenza e l'efficienza,soprattutto in scenari applicativi ad alta frequenza per ridurre le perdite di commutazione.
Attualmente, è molto probabile che troverà applicazioni su larga scala negli inverter per motori, seguiti da OBC e DCDC.
Piattaforma di tensione 800V
Nella piattaforma di tensione a 800 V, il vantaggio dell'alta frequenza rende le aziende più propense a scegliere la soluzione SiC-MOSFET. Pertanto, la maggior parte degli attuali sistemi di controllo elettronico a 800 V utilizza SiC-MOSFET.
La pianificazione a livello di piattaforma includeE-GMP moderno, GM Otenergy – campo di pick-up, Porsche PPE e Tesla EPA.Ad eccezione dei modelli della piattaforma Porsche PPE che non montano esplicitamente SiC-MOSFET (il primo modello è un IGBT a base di silice), altre piattaforme di veicoli adottano schemi SiC-MOSFET.
Piattaforma energetica universale Ultra
La pianificazione del modello 800V è più,il marchio Great Wall Salon Jiagirong, Beiqi pole Fox S versione HI, auto ideale S01 e W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 ha affermato che utilizzerà la piattaforma 800V, oltre a BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, anche Volkswagen ha affermato che la tecnologia 800V è in fase di ricerca.
Dalla situazione degli ordini 800V ottenuti dai fornitori Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics e Huichuantutti gli ordini annunciati per motori elettrici da 800 V.
Piattaforma di tensione 400V
Nella piattaforma di tensione da 400 V, il SiC-MOSFET è principalmente in considerazione dell'elevata potenza e densità di potenza e dell'elevata efficienza.
Come il motore Tesla Model 3\Y, ora prodotto in serie, la potenza di picco del motore BYD Hanhou è di circa 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW). Anche NIO utilizzerà prodotti SiC-MOSFET a partire da ET7 e ET5, che saranno elencati più avanti. La potenza di picco è di 240 kW (ET5 210 kW).
Inoltre, dal punto di vista dell'elevata efficienza, alcune aziende stanno anche valutando la fattibilità di prodotti SiC-MOSFET con flooding ausiliario.
Data di pubblicazione: 08-07-2023
