सिलिकन-आधारित पावर सेमीकन्डक्टरहरूको तुलनामा, SiC (सिलिकन कार्बाइड) पावर सेमीकन्डक्टरहरूको स्विचिङ फ्रिक्वेन्सी, नोक्सान, ताप अपव्यय, लघुकरण, आदिमा महत्त्वपूर्ण फाइदाहरू छन्।
टेस्लाले सिलिकन कार्बाइड इन्भर्टरको ठूलो मात्रामा उत्पादन गरेसँगै, धेरै कम्पनीहरूले पनि सिलिकन कार्बाइड उत्पादनहरू अवतरण गर्न थालेका छन्।
SiC यति "अद्भुत" छ, यो कसरी बनाइयो? अब के के प्रयोगहरू छन्? हेरौं!
०१ ☆ एक SiC को जन्म
अन्य पावर सेमीकन्डक्टरहरू जस्तै, SiC-MOSFET उद्योग श्रृंखलामा समावेश छलामो क्रिस्टल - सब्सट्रेट - एपिटाक्सी - डिजाइन - निर्माण - प्याकेजिङ लिङ्क।
लामो क्रिस्टल
लामो क्रिस्टल लिङ्कको समयमा, एकल क्रिस्टल सिलिकनद्वारा प्रयोग गरिने टिरा विधिको तयारीको विपरीत, सिलिकन कार्बाइडले मुख्यतया भौतिक ग्यास ढुवानी विधि (PVT, जसलाई सुधारिएको Lly वा बीउ क्रिस्टल सबलिमेसन विधि पनि भनिन्छ), उच्च तापक्रम रासायनिक ग्यास निक्षेपण विधि (HTCVD) पूरकहरू अपनाउँछ।
☆ मुख्य चरण
१. कार्बोनिक ठोस कच्चा पदार्थ;
२. तताइसकेपछि, कार्बाइड ठोस ग्यास बन्छ;
३. ग्यास बीउ क्रिस्टलको सतहमा सर्छ;
४. बीउ क्रिस्टलको सतहमा ग्यास बढेर क्रिस्टलमा परिणत हुन्छ।
तस्वीर स्रोत: "PVT ग्रोथ सिलिकन कार्बाइडलाई छुट्याउन प्राविधिक बिन्दु"
सिलिकन आधारको तुलनामा फरक शिल्प कौशलले दुई प्रमुख बेफाइदाहरू निम्त्याएको छ:
पहिलो, उत्पादन गाह्रो छ र उत्पादन कम छ।कार्बन-आधारित ग्यास चरणको तापक्रम २३०० डिग्री सेल्सियसभन्दा माथि बढ्छ र दबाब ३५०MPa हुन्छ। सम्पूर्ण गाढा बक्स बाहिर निकालिन्छ, र यसलाई अशुद्धतामा मिसाउन सजिलो हुन्छ। सिलिकन आधार भन्दा उपज कम हुन्छ। व्यास जति ठूलो हुन्छ, उपज त्यति नै कम हुन्छ।
दोस्रो भनेको ढिलो वृद्धि हो।PVT विधिको शासन धेरै ढिलो छ, गति लगभग ०.३-०.५ मिमी/घण्टा छ, र यो ७ दिनमा २ सेन्टिमिटर बढ्न सक्छ। अधिकतम मात्र ३-५ सेन्टिमिटर बढ्न सक्छ, र क्रिस्टल इन्गटको व्यास प्रायः ४ इन्च र ६ इन्च हुन्छ।
सिलिकनमा आधारित ७२एच २-३ मिटरको उचाइसम्म बढ्न सक्छ, जसको व्यास प्रायः ६ इन्च र ८ इन्च हुन्छ र १२ इन्चको लागि नयाँ उत्पादन क्षमता हुन्छ।त्यसकारण, सिलिकन कार्बाइडलाई प्रायः क्रिस्टल इन्गट भनिन्छ, र सिलिकन क्रिस्टल स्टिक बन्छ।
कार्बाइड सिलिकन क्रिस्टल इन्गटहरू
सब्सट्रेट
लामो क्रिस्टल पूरा भएपछि, यो सब्सट्रेटको उत्पादन प्रक्रियामा प्रवेश गर्छ।
लक्षित काट्ने, पिस्ने (रफ पिस्ने, फाइन पिस्ने), पालिस गर्ने (मेकानिकल पालिस गर्ने), अल्ट्रा-प्रिसिजन पालिस गर्ने (रासायनिक मेकानिकल पालिस गर्ने) पछि, सिलिकन कार्बाइड सब्सट्रेट प्राप्त हुन्छ।
सब्सट्रेटले मुख्यतया खेल्छभौतिक समर्थन, तापीय चालकता र चालकताको भूमिका।प्रशोधनको कठिनाई यो हो कि सिलिकन कार्बाइड सामग्री उच्च, क्रिस्पी र रासायनिक गुणहरूमा स्थिर हुन्छ। त्यसैले, परम्परागत सिलिकन-आधारित प्रशोधन विधिहरू सिलिकन कार्बाइड सब्सट्रेटको लागि उपयुक्त छैनन्।
काट्ने प्रभावको गुणस्तरले सिलिकन कार्बाइड उत्पादनहरूको कार्यसम्पादन र उपयोग दक्षता (लागत) लाई प्रत्यक्ष असर गर्छ, त्यसैले यो सानो, एकसमान मोटाई र कम काट्ने हुनु आवश्यक छ।
हाल,४-इन्च र ६-इन्चले मुख्यतया बहु-लाइन काट्ने उपकरणहरू प्रयोग गर्दछ,सिलिकन क्रिस्टलहरूलाई १ मिमी भन्दा बढी मोटाई नभएको पातलो स्लाइसमा काट्ने।
बहु-लाइन काट्ने योजनाबद्ध रेखाचित्र
भविष्यमा, कार्बनाइज्ड सिलिकन वेफरहरूको आकार बढ्दै जाँदा, सामग्री उपयोग आवश्यकताहरूमा वृद्धि हुनेछ, र लेजर स्लाइसिङ र कोल्ड सेपरेसन जस्ता प्रविधिहरू पनि बिस्तारै लागू गरिनेछ।
२०१८ मा, इन्फिनियनले सिल्टेक्ट्रा जीएमबीएच प्राप्त गर्यो, जसले कोल्ड क्र्याकिंग भनेर चिनिने एक नवीन प्रक्रिया विकास गर्यो।
परम्परागत बहु-तार काट्ने प्रक्रियाको १/४ नोक्सानको तुलनामा,चिसो क्र्याकिंग प्रक्रियाले सिलिकन कार्बाइड सामग्रीको १/८ भाग मात्र गुमायो।
विस्तार
सिलिकन कार्बाइड सामग्रीले सब्सट्रेटमा सिधै पावर उपकरणहरू बनाउन नसक्ने भएकोले, एक्सटेन्सन तहमा विभिन्न उपकरणहरू आवश्यक पर्दछ।
त्यसकारण, सब्सट्रेटको उत्पादन पूरा भएपछि, विस्तार प्रक्रिया मार्फत सब्सट्रेटमा एक विशिष्ट एकल क्रिस्टल पातलो फिल्म बढाइन्छ।
हाल, रासायनिक ग्यास निक्षेपण विधि (CVD) प्रक्रिया मुख्यतया प्रयोग गरिन्छ।
डिजाइन
सब्सट्रेट बनाइसकेपछि, यो उत्पादन डिजाइन चरणमा प्रवेश गर्छ।
MOSFET को लागि, डिजाइन प्रक्रियाको केन्द्रबिन्दु ग्रूभको डिजाइन हो,एकातिर पेटेन्ट उल्लङ्घनबाट बच्न(इन्फिनियन, रोहम, एसटी, आदिसँग पेटेन्ट लेआउट छ), र अर्कोतर्फउत्पादन क्षमता र उत्पादन लागत पूरा गर्न।
वेफर निर्माण
उत्पादन डिजाइन पूरा भएपछि, यो वेफर निर्माण चरणमा प्रवेश गर्छ,र यो प्रक्रिया लगभग सिलिकन जस्तै छ, जसमा मुख्यतया निम्न ५ चरणहरू छन्।
☆चरण १: मास्क इन्जेक्सन गर्नुहोस्
सिलिकन अक्साइड (SiO2) फिल्मको तह बनाइन्छ, फोटोरेजिस्ट लेपित गरिन्छ, फोटोरेजिस्ट ढाँचा एकरूपता, एक्सपोजर, विकास, आदि चरणहरू मार्फत बनाइन्छ, र आकृतिलाई एचिंग प्रक्रिया मार्फत अक्साइड फिल्ममा स्थानान्तरण गरिन्छ।
☆चरण २: आयन प्रत्यारोपण
मास्क गरिएको सिलिकन कार्बाइड वेफरलाई आयन इम्प्लान्टरमा राखिन्छ, जहाँ पी-टाइप डोपिङ जोन बनाउन एल्युमिनियम आयनहरू इन्जेक्ट गरिन्छ, र प्रत्यारोपित एल्युमिनियम आयनहरूलाई सक्रिय गर्न एनिल गरिन्छ।
अक्साइड फिल्म हटाइन्छ, नाइट्रोजन आयनहरूलाई P-प्रकार डोपिङ क्षेत्रको एक विशिष्ट क्षेत्रमा इन्जेक्ट गरिन्छ ताकि नाली र स्रोतको N-प्रकारको प्रवाहकीय क्षेत्र बनाइन्छ, र प्रत्यारोपित नाइट्रोजन आयनहरूलाई सक्रिय गर्न एनिल गरिन्छ।
☆चरण ३: ग्रिड बनाउनुहोस्
ग्रिड बनाउनुहोस्। स्रोत र नाली बीचको क्षेत्रमा, गेट अक्साइड तह उच्च तापक्रम अक्सिडेशन प्रक्रियाद्वारा तयार गरिन्छ, र गेट इलेक्ट्रोड तहलाई गेट नियन्त्रण संरचना बनाउन जम्मा गरिन्छ।
☆चरण ४: प्यासिभेसन तहहरू बनाउने
प्यासिभेसन तह बनाइन्छ। इन्टरइलेक्ट्रोड ब्रेकडाउन रोक्नको लागि राम्रो इन्सुलेशन विशेषताहरू भएको प्यासिभेसन तह जम्मा गर्नुहोस्।
☆चरण ५: ड्रेन-सोर्स इलेक्ट्रोडहरू बनाउनुहोस्
नाली र स्रोत बनाउनुहोस्। निष्क्रिय तह छिद्रित हुन्छ र धातुलाई छेडेर नाली र स्रोत बनाइन्छ।
फोटो स्रोत: Xinxi क्यापिटल
सिलिकन कार्बाइड सामग्रीको विशेषताहरूको कारणले गर्दा, प्रक्रिया स्तर र सिलिकनमा आधारित बीच थोरै भिन्नता भए पनि,आयन इम्प्लान्टेसन र एनिलिङ उच्च तापक्रम भएको वातावरणमा गर्नुपर्छ।(१६०० डिग्री सेल्सियस सम्म), उच्च तापक्रमले सामग्रीको जाली संरचनालाई नै असर गर्नेछ, र कठिनाईले उत्पादनलाई पनि असर गर्नेछ।
यसको अतिरिक्त, MOSFET कम्पोनेन्टहरूको लागि,गेट अक्सिजनको गुणस्तरले च्यानल गतिशीलता र गेट विश्वसनीयतालाई प्रत्यक्ष असर गर्छ।, किनभने सिलिकन कार्बाइड सामग्रीमा दुई प्रकारका सिलिकन र कार्बन परमाणुहरू हुन्छन्।
त्यसकारण, एक विशेष गेट मध्यम वृद्धि विधि आवश्यक छ (अर्को बुँदा यो हो कि सिलिकन कार्बाइड पाना पारदर्शी छ, र फोटोलिथोग्राफी चरणमा स्थिति पङ्क्तिबद्धता सिलिकन गर्न गाह्रो छ)।
वेफर निर्माण पूरा भएपछि, व्यक्तिगत चिपलाई नाङ्गो चिपमा काटिन्छ र उद्देश्य अनुसार प्याकेज गर्न सकिन्छ। अलग उपकरणहरूको लागि सामान्य प्रक्रिया TO प्याकेज हो।
TO-247 प्याकेजमा ६५०V CoolSiC™ MOSFET हरू
तस्बिर: इन्फिनियन
अटोमोटिभ क्षेत्रमा उच्च शक्ति र ताप अपव्यय आवश्यकताहरू हुन्छन्, र कहिलेकाहीँ सिधै पुल सर्किटहरू (आधा पुल वा पूर्ण पुल, वा डायोडहरूसँग सिधै प्याकेज गरिएको) निर्माण गर्न आवश्यक हुन्छ।
त्यसकारण, यो प्रायः मोड्युल वा प्रणालीहरूमा सिधै प्याकेज गरिन्छ। एकल मोड्युलमा प्याकेज गरिएका चिपहरूको संख्या अनुसार, सामान्य रूप १ मा १ (बोर्गवार्नर), ६ मा १ (इन्फिनियन), आदि हो, र केही कम्पनीहरूले एकल-ट्यूब समानान्तर योजना प्रयोग गर्छन्।
बोर्गवार्नर भाइपर
डबल-साइडेड वाटर कूलिङ र SiC-MOSFET लाई समर्थन गर्दछ।
Infineon CoolSiC™ MOSFET मोड्युलहरू
सिलिकन भन्दा फरक,सिलिकन कार्बाइड मोड्युलहरू उच्च तापक्रममा, लगभग २०० डिग्री सेल्सियसमा सञ्चालन हुन्छन्।
परम्परागत नरम सोल्डर तापक्रम पग्लने बिन्दु तापक्रम कम हुन्छ, तापक्रम आवश्यकताहरू पूरा गर्न सक्दैन। त्यसकारण, सिलिकन कार्बाइड मोड्युलहरूले प्रायः कम-तापमानको चाँदीको सिंटरिङ वेल्डिङ प्रक्रिया प्रयोग गर्छन्।
मोड्युल पूरा भएपछि, यसलाई पार्ट्स प्रणालीमा लागू गर्न सकिन्छ।
टेस्ला मोडेल ३ मोटर नियन्त्रक
यो नाङ्गो चिप ST, स्व-विकसित प्याकेज र इलेक्ट्रिक ड्राइभ प्रणालीबाट आउँछ।
☆०२ SiC को आवेदन स्थिति?
अटोमोटिभ क्षेत्रमा, पावर उपकरणहरू मुख्यतया प्रयोग गरिन्छDCDC, OBC, मोटर इन्भर्टर, इलेक्ट्रिक एयर कन्डिसनिङ इन्भर्टर, वायरलेस चार्जिङ र अन्य भागहरूजसलाई AC/DC द्रुत रूपान्तरण आवश्यक पर्दछ (DCDC मुख्यतया द्रुत स्विचको रूपमा काम गर्दछ)।
तस्बिर: बोर्गवार्नर
सिलिकन-आधारित सामग्रीहरूको तुलनामा, SIC सामग्रीहरूमा उच्च छमहत्वपूर्ण हिमस्खलन ब्रेकडाउन क्षेत्र शक्ति(३×१०६V/सेमी),राम्रो थर्मल चालकता(४९ वाट/mK) रफराकिलो ब्यान्ड ग्याप(३.२६ ईभी)।
ब्यान्ड ग्याप जति फराकिलो हुन्छ, चुहावट प्रवाह त्यति नै सानो हुन्छ र दक्षता त्यति नै उच्च हुन्छ। थर्मल चालकता जति राम्रो हुन्छ, वर्तमान घनत्व त्यति नै उच्च हुन्छ। महत्वपूर्ण हिमस्खलन ब्रेकडाउन क्षेत्र जति बलियो हुन्छ, उपकरणको भोल्टेज प्रतिरोध सुधार गर्न सकिन्छ।
त्यसकारण, अन-बोर्ड उच्च भोल्टेजको क्षेत्रमा, अवस्थित सिलिकन-आधारित IGBT र FRD संयोजनलाई प्रतिस्थापन गर्न सिलिकन कार्बाइड सामग्रीहरूद्वारा तयार पारिएका MOSFETs र SBD ले प्रभावकारी रूपमा शक्ति र दक्षता सुधार गर्न सक्छन्,विशेष गरी उच्च आवृत्ति अनुप्रयोग परिदृश्यहरूमा स्विचिंग घाटा कम गर्न।
हाल, यसले मोटर इन्भर्टरहरूमा ठूलो मात्रामा अनुप्रयोगहरू प्राप्त गर्ने सम्भावना बढी छ, त्यसपछि OBC र DCDC छन्।
८००V भोल्टेज प्लेटफर्म
८००V भोल्टेज प्लेटफर्ममा, उच्च आवृत्तिको फाइदाले उद्यमहरूलाई SiC-MOSFET समाधान छनौट गर्न बढी झुकाव दिन्छ। त्यसकारण, हालको ८००V इलेक्ट्रोनिक नियन्त्रण योजना SiC-MOSFET को अधिकांश।
प्लेटफर्म-स्तरीय योजनामा समावेश छआधुनिक E-GMP, GM Otenergy - पिकअप फिल्ड, Porsche PPE, र Tesla EPA।पोर्श पीपीई प्लेटफर्म मोडेलहरू बाहेक जुन स्पष्ट रूपमा SiC-MOSFET बोक्दैनन् (पहिलो मोडेल सिलिका-आधारित IGBT हो), अन्य सवारी साधन प्लेटफर्महरूले SiC-MOSFET योजनाहरू अपनाउँछन्।
युनिभर्सल अल्ट्रा इनर्जी प्लेटफर्म
८००V मोडेल योजना बढी छ,ग्रेट वाल सैलुन ब्रान्ड जियागिरोङ, बेइकी पोल फक्स एस एचआई संस्करण, आदर्श कार S01 र W01, जियाओपेङ G9, BMW NK1, Changan Avita E11 ले BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag को अतिरिक्त ८००V प्रविधि बोक्ने बताएको छ, Volkswagen ले पनि अनुसन्धानमा ८००V प्रविधि रहेको बताएको छ।
Tier1 आपूर्तिकर्ताहरूले प्राप्त गरेको ८००V अर्डरहरूको अवस्थाबाट,बोर्गवार्नर, विपाई टेक्नोलोजी, जेडएफ, युनाइटेड इलेक्ट्रोनिक्स, र हुइचुआनसबै घोषणा गरिएका ८०० भोल्ट इलेक्ट्रिक ड्राइभ अर्डरहरू।
४००V भोल्टेज प्लेटफर्म
४००V भोल्टेज प्लेटफर्ममा, SiC-MOSFET मुख्यतया उच्च शक्ति र पावर घनत्व र उच्च दक्षतालाई ध्यानमा राख्छ।
जस्तै टेस्ला मोडेल ३\Y मोटर जुन अहिले ठूलो मात्रामा उत्पादन गरिएको छ, BYD Hanhou मोटरको अधिकतम शक्ति लगभग २०० किलोवाट छ (टेस्ला २०२ किलोवाट, १९४ किलोवाट, २२० किलोवाट, BYD १८० किलोवाट), NIO ले ET7 बाट सुरु हुने SiC-MOSFET उत्पादनहरू र पछि सूचीबद्ध गरिने ET5 पनि प्रयोग गर्नेछ। अधिकतम शक्ति २४० किलोवाट (ET5 २१० किलोवाट) छ।
यसको अतिरिक्त, उच्च दक्षताको दृष्टिकोणबाट, केही उद्यमहरूले सहायक बाढी SiC-MOSFET उत्पादनहरूको सम्भाव्यताको पनि खोजी गरिरहेका छन्।
पोस्ट समय: जुलाई-०८-२०२३
