Rispetto ai semiconduttori di potenza a base di silicio, i semiconduttori di potenza SiC (carburo di silicio) presentano vantaggi significativi 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 “straordinario”, come diavolo è stato realizzato?Quali sono le applicazioni adesso?Vediamo!
01 ☆ Nascita di un SiC
Come altri semiconduttori di potenza, la catena industriale SiC-MOSFET comprendeil lungo collegamento cristallo – substrato – epitassia – design – produzione – packaging.
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 Lly migliorato o metodo di sublimazione dei cristalli di seme), metodo di deposizione chimica del gas ad alta temperatura (HTCVD ) integratori.
☆ Passaggio fondamentale
1. Materia prima solida carbonica;
2. Dopo il riscaldamento, il carburo solido diventa gas;
3. Il gas si sposta sulla superficie del cristallo seme;
4. Il gas cresce sulla superficie del cristallo seme fino a formare un cristallo.
Fonte immagine: "Punto tecnico per smontare il carburo di silicio con crescita PVT"
La diversa lavorazione artigianale ha causato due grossi svantaggi rispetto alla base in silicone:
Innanzitutto, la produzione è difficile e la resa è bassa.La temperatura della fase gassosa a base di carbonio cresce oltre i 2300°C e la pressione è di 350MPa.Viene eseguita l'intera scatola scura ed è facile mescolarsi con le impurità.La resa è inferiore rispetto alla base siliconica.Maggiore è il diametro, minore è la resa.
Il secondo è la crescita lenta.La governance 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.Il massimo può crescere solo di 3-5 cm e il diametro del lingotto di cristallo è principalmente di 4 pollici e 6 pollici.
La 72H a base di silicio può raggiungere un'altezza di 2-3 m, con diametri per lo più di 6 pollici e una nuova capacità produttiva di 8 pollici per 12 pollici.Pertanto, il carburo di silicio è spesso chiamato lingotto di cristallo e il silicio diventa un bastoncino di cristallo.
Lingotti di cristalli di silicio al carburo
Substrato
Una volta completato il lungo cristallo, entra nel processo di produzione del substrato.
Dopo il taglio mirato, la molatura (molatura grossolana, levigatura fine), la lucidatura (lucidatura meccanica), la lucidatura ultraprecisa (lucidatura chimico-meccanica), si ottiene il substrato di carburo di silicio.
Il substrato gioca principalmenteil ruolo del supporto fisico, conduttività termica e conduttività.La difficoltà di lavorazione è che il materiale in carburo di silicio è alto, croccante e stabile nelle proprietà chimiche.Pertanto, i tradizionali metodi di lavorazione a base di silicio non sono adatti per il substrato in 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, quindi è necessario che siano piccoli, con spessore uniforme e taglio basso.
Attualmente,4 pollici e 6 pollici utilizzano principalmente apparecchiature di taglio multilinea,tagliare i cristalli di silicio a fette sottili con uno spessore non superiore a 1 mm.
Diagramma schematico di taglio multilinea
In futuro, con l'aumento delle dimensioni dei wafer di silicio carbonizzato, aumenterà l'aumento dei requisiti di utilizzo dei materiali e verranno gradualmente applicate anche tecnologie come l'affettatura 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 alla tradizionale perdita del processo di taglio multifilo di 1/4,il processo di cracking a freddo ha perso 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, una specifica pellicola sottile monocristallina viene fatta crescere sul substrato attraverso il processo di estensione.
Attualmente viene utilizzato principalmente il processo del metodo di deposizione chimica del gas (CVD).
Progetto
Dopo che il substrato è stato realizzato, entra nella fase di progettazione del prodotto.
Per MOSFET, il focus del processo di progettazione è il design della scanalatura,da un lato per evitare la violazione di brevetti(Infineon, Rohm, ST, ecc., hanno il layout dei brevetti), e dall'altro asoddisfare i costi di producibilità e di produzione.
Fabbricazione di wafer
Una volta completata la progettazione del prodotto, entra nella fase di produzione del 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 di 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.
☆Passaggio 2: impianto ionico
Il wafer di carburo di silicio mascherato viene inserito in un impiantatore di ioni, dove gli ioni di alluminio vengono iniettati per formare una zona drogante di tipo P e ricotti 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
Realizza la griglia.Nell'area tra la sorgente e il drenaggio, lo strato di ossido di gate viene preparato mediante un processo di ossidazione ad alta temperatura e lo strato dell'elettrodo di gate viene depositato per formare la struttura di controllo del gate.
☆Passaggio 4: realizzazione degli strati di passivazione
Viene realizzato lo strato di passivazione.Depositare uno strato di passivazione con buone caratteristiche di isolamento per prevenire la rottura degli interelettrodi.
☆Passaggio 5: realizzare gli elettrodi drain-source
Effettuare lo scarico e la fonte.Lo strato di passivazione è perforato e il metallo viene spruzzato per formare un drenaggio e una sorgente.
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 influenzerà anche la resa.
Inoltre, per i componenti MOSFET,la qualità dell'ossigeno al gate influisce direttamente sulla mobilità del canale e sull'affidabilità del gate, perché ci sono due tipi di atomi di silicio e di carbonio nel materiale del carburo di silicio.
Pertanto, è necessario uno speciale metodo 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 per il silicio).
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 pacchetto TO.
MOSFET CoolSiC™ da 650 V nel contenitore TO-247
Foto: Infineon
Il settore automobilistico ha elevate esigenze di potenza e dissipazione del calore e talvolta è necessario costruire direttamente circuiti a ponte (half bridge o full bridge, oppure direttamente assemblati con diodi).
Pertanto, è spesso confezionato direttamente in moduli o sistemi.A seconda del numero di chip confezionati in un singolo modulo, la forma 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 su due lati 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 tradizionale temperatura del punto di fusione della temperatura di saldatura dolce è bassa, non può soddisfare i requisiti di temperatura.Pertanto, i moduli in carburo di silicio utilizzano spesso il processo di saldatura con sinterizzazione dell'argento a bassa temperatura.
Una volta completato il modulo, è possibile applicarlo al sistema di parti.
Controller motore Tesla Model3
Il chip nudo proviene dalla ST, pacchetto sviluppato internamente e sistema di azionamento elettrico
☆02 Stato dell'applicazione del SiC?
Nel settore automobilistico i dispositivi di potenza vengono utilizzati principalmente inDCDC, OBC, inverter per motori, inverter elettrici per climatizzazione, ricarica wireless e altre partiche richiedono una conversione veloce AC/DC (DCDC funge principalmente da interruttore veloce).
Foto: BorgWarner
Rispetto ai materiali a base di silicio, i materiali SIC hanno valori più elevatiintensità del campo critico di rottura delle valanghe(3×106 V/cm),migliore conduttività termica(49W/mK) egap di banda più ampio(3,26eV).
Più ampio 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.Quanto più intenso è il campo critico di rottura della valanga, tanto più la resistenza alla tensione del dispositivo può essere migliorata.
Pertanto, nel campo dell'alta tensione di bordo, MOSFET e SBD preparati con materiali in carburo di silicio per sostituire l'attuale combinazione IGBT e FRD a base di silicio possono effettivamente migliorare la potenza e l'efficienza,soprattutto in scenari applicativi ad alta frequenza per ridurre le perdite di commutazione.
Al momento, è più probabile che raggiunga applicazioni su larga scala negli inverter per motori, seguito da OBC e DCDC.
Piattaforma di tensione 800V
Nella piattaforma di tensione da 800 V, il vantaggio dell'alta frequenza rende le aziende più propense a scegliere la soluzione SiC-MOSFET.Pertanto, la maggior parte dell'attuale pianificazione del controllo elettronico da 800 V SiC-MOSFET.
La pianificazione a livello di piattaforma includemoderno E-GMP, GM Otenergy – campo di ritiro, Porsche DPI e Tesla EPA.Ad eccezione dei modelli di piattaforma Porsche PPE che non supportano esplicitamente SiC-MOSFET (il primo modello è IGBT a base di silice), altre piattaforme di veicoli adottano schemi SiC-MOSFET.
Piattaforma energetica universale Ultra
La pianificazione del modello 800V è di più,il marchio Jiagirong del Great Wall Salon, versione Beiqi pole Fox S HI, auto ideale S01 e W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 ha affermato che porterà la piattaforma 800V, oltre a BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen ha anche affermato che la tecnologia 800V è nella ricerca.
Dalla situazione degli ordini da 800 V ottenuti dai fornitori Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics e Huichuantutti gli ordini di azionamento elettrico annunciati da 800 V.
Piattaforma di tensione 400V
Nella piattaforma di tensione da 400 V, SiC-MOSFET tiene conto principalmente dell'elevata potenza, densità di potenza e alta efficienza.
Come il motore Tesla Model 3\Y che è stato ora prodotto in serie, la potenza di picco del motore BYD Hanhou è di circa 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO utilizzerà anche prodotti SiC-MOSFET a partire da ET7 e l'ET5 che verranno elencati più avanti.La potenza di picco è di 240Kw (ET5 210Kw).
Inoltre, dal punto di vista dell'alta efficienza, alcune aziende stanno anche esplorando la fattibilità di prodotti SiC-MOSFET a inondazione ausiliaria.
Orario di pubblicazione: 08-lug-2023