SiC किन यति "दैवी" छ?

सिलिकन-आधारित पावर सेमीकन्डक्टरहरूको तुलनामा, SiC (सिलिकन कार्बाइड) पावर सेमीकन्डक्टरहरू स्विच फ्रिक्वेन्सी, हानि, गर्मी अपव्यय, लघुकरण, आदिमा महत्त्वपूर्ण फाइदाहरू छन्।

टेस्लाद्वारा सिलिकन कार्बाइड इन्भर्टरहरूको ठूलो मात्रामा उत्पादनसँगै, धेरै कम्पनीहरूले पनि सिलिकन कार्बाइड उत्पादनहरू ल्यान्ड गर्न थालेका छन्।

SiC यति "अद्भुत" छ, यो पृथ्वीमा कसरी बनाइयो?अब के के छन् आवेदन ?हेरौं!

०१ ☆ एक SiC को जन्म

अन्य पावर अर्धचालकहरू जस्तै, SiC-MOSFET उद्योग श्रृंखला समावेश छलामो क्रिस्टल - सब्सट्रेट - एपिटेक्सी - डिजाइन - निर्माण - प्याकेजिङ लिङ्क। 

लामो क्रिस्टल

लामो क्रिस्टल लिङ्कको समयमा, एकल क्रिस्टल सिलिकन द्वारा प्रयोग गरिएको टिरा विधिको तयारीको विपरीत, सिलिकन कार्बाइडले मुख्यतया भौतिक ग्यास ढुवानी विधि (PVT, जसलाई सुधारिएको Lly वा बीज क्रिस्टल सबलिमेसन विधि पनि भनिन्छ), उच्च तापक्रम रासायनिक ग्यास निक्षेप विधि (HTCVD) अपनाउँछ। ) पूरक।

☆ कोर चरण

1. कार्बनिक ठोस कच्चा माल;

2. ताप पछि, कार्बाइड ठोस ग्यास हुन्छ;

3. ग्यास बीज क्रिस्टलको सतहमा सार्नुहोस्;

4. ग्यास बीज क्रिस्टलको सतहमा क्रिस्टलमा बढ्छ।

तस्विर स्रोत: "प्राविधिक बिन्दु PVT वृद्धि सिलिकन कार्बाइड अलग गर्न को लागी"

विभिन्न शिल्प कौशलले सिलिकन आधारको तुलनामा दुई प्रमुख हानिहरू निम्त्याएको छ:

पहिलो, उत्पादन गाह्रो छ र उपज कम छ।कार्बन-आधारित ग्यास चरणको तापक्रम 2300 डिग्री सेल्सियस माथि बढ्छ र दबाव 350MPa छ।सम्पूर्ण कालो बक्स बाहिर गरिन्छ, र यो अशुद्धता मा मिश्रण गर्न सजिलो छ।उपज सिलिकन आधार भन्दा कम छ।व्यास जति ठूलो हुन्छ, उपज कम हुन्छ।

दोस्रो ढिलो वृद्धि हो।PVT विधि को शासन धेरै ढिलो छ, गति लगभग 0.3-0.5mm/h छ, र यो 7 दिन मा 2cm बढ्न सक्छ।अधिकतम 3-5 सेन्टिमिटर मात्र बढ्न सक्छ, र क्रिस्टल इन्गटको व्यास प्रायः 4 इन्च र 6 इन्च हुन्छ।

सिलिकन-आधारित 72H ले 2-3 मिटरको उचाइमा बढ्न सक्छ, जसको व्यास प्रायः 6 इन्च र 8-इन्च नयाँ उत्पादन क्षमता 12 इन्चको छ।त्यसैले, सिलिकन कार्बाइडलाई अक्सर क्रिस्टल इन्गट भनिन्छ, र सिलिकन क्रिस्टल स्टिक बन्छ।

कार्बाइड सिलिकन क्रिस्टल इन्गट्स

सब्सट्रेट

लामो क्रिस्टल पूरा भएपछि, यो सब्सट्रेटको उत्पादन प्रक्रियामा प्रवेश गर्दछ।

लक्षित काटन, ग्राइंडिङ (रफ ग्राइन्डिङ, फाइन ग्राइंडिङ), पॉलिशिङ (मेकानिकल पालिसिङ), अल्ट्रा-प्रेसिजन पालिसिङ (केमिकल मेकानिकल पालिसिङ) गरिसकेपछि, सिलिकन कार्बाइड सब्सट्रेट प्राप्त हुन्छ।

सब्सट्रेट मुख्य रूपमा खेल्छभौतिक समर्थन, थर्मल चालकता र चालकता को भूमिका।प्रशोधनको कठिनाई भनेको सिलिकन कार्बाइड सामग्री उच्च, क्रिस्पी र रासायनिक गुणहरूमा स्थिर छ।त्यसैले, परम्परागत सिलिकन-आधारित प्रशोधन विधिहरू सिलिकन कार्बाइड सब्सट्रेटको लागि उपयुक्त छैनन्।

काट्ने प्रभावको गुणस्तरले सिलिकन कार्बाइड उत्पादनहरूको प्रदर्शन र उपयोग दक्षता (लागत) लाई प्रत्यक्ष असर गर्छ, त्यसैले यो सानो, समान मोटाई, र कम काटन आवश्यक छ।

हाल,4-इन्च र 6-इन्चले मुख्यतया बहु-लाइन काट्ने उपकरणहरू प्रयोग गर्दछ,सिलिकन क्रिस्टलहरू पातलो स्लाइसहरूमा काट्दै 1mm भन्दा बढीको मोटाईको साथ।

बहु-लाइन काट्ने योजनाबद्ध रेखाचित्र

भविष्यमा, कार्बनाइज्ड सिलिकन वेफर्सको आकारमा बृद्धिसँगै, सामग्रीको उपयोग आवश्यकताहरूमा बृद्धि हुनेछ, र लेजर स्लाइसिङ र चिसो विभाजन जस्ता प्रविधिहरू पनि बिस्तारै लागू हुनेछन्।

2018 मा, Infineon ले Siltectra GmbH प्राप्त गर्‍यो, जसले कोल्ड क्र्याकिंग भनेर चिनिने एक नवीन प्रक्रियाको विकास गर्‍यो।

परम्परागत बहु-तार काट्ने प्रक्रिया 1/4 को हानि संग तुलना,चिसो क्र्याकिंग प्रक्रियाले सिलिकन कार्बाइड सामग्रीको 1/8 मात्र गुमायो।

विस्तार

सिलिकन कार्बाइड सामग्रीले सब्सट्रेटमा सीधा पावर उपकरणहरू बनाउन सक्दैन, विस्तार तहमा विभिन्न उपकरणहरू आवश्यक पर्दछ।

तसर्थ, सब्सट्रेटको उत्पादन पूरा भएपछि, एक्स्टेन्सन प्रक्रिया मार्फत सब्सट्रेटमा एक विशिष्ट एकल क्रिस्टल पातलो फिल्म बढाइन्छ।

हाल, रासायनिक ग्यास निक्षेप विधि (CVD) प्रक्रिया मुख्य रूपमा प्रयोग गरिन्छ।

डिजाइन

सब्सट्रेट बनेपछि, यो उत्पादन डिजाइन चरणमा प्रवेश गर्दछ।

MOSFET को लागि, डिजाइन प्रक्रिया को फोकस नाली को डिजाइन हो,एकातिर पेटेन्ट उल्लङ्घनबाट बच्न(Infineon, Rohm, ST, आदि, पेटेन्ट लेआउट छ), र अर्कोतर्फउत्पादनशीलता र निर्माण लागतहरू पूरा गर्न।

वेफर निर्माण

उत्पादन डिजाइन पूरा भएपछि, यो वेफर निर्माण चरणमा प्रवेश गर्दछ,र प्रक्रिया लगभग सिलिकन जस्तै छ, जसमा मुख्यतया निम्न 5 चरणहरू छन्।

☆चरण 1: मास्क इन्जेक्सन गर्नुहोस्

सिलिकन अक्साइड (SiO2) फिल्मको तह बनाइन्छ, फोटोरेसिस्ट लेपित हुन्छ, फोटोरेसिस्ट ढाँचा एकरूपता, एक्सपोजर, विकास, इत्यादिका चरणहरू मार्फत बनाइन्छ, र चित्रलाई नक्काशी प्रक्रिया मार्फत अक्साइड फिल्ममा स्थानान्तरण गरिन्छ।

☆चरण २: आयन प्रत्यारोपण

मास्क गरिएको सिलिकन कार्बाइड वेफरलाई आयन इम्प्लान्टरमा राखिन्छ, जहाँ एल्युमिनियम आयनहरूलाई पी-टाइप डोपिङ जोन बनाउन इन्जेक्सन गरिन्छ, र इम्प्लान्ट गरिएको एल्युमिनियम आयनहरूलाई सक्रिय गर्न एनेल गरिएको हुन्छ।

अक्साइड फिलिम हटाइन्छ, नाइट्रोजन आयनहरूलाई P-प्रकार डोपिङ क्षेत्रको एक विशिष्ट क्षेत्रमा नाली र स्रोतको N-प्रकार प्रवाहकीय क्षेत्र बनाउनको लागि इन्जेक्ट गरिन्छ, र प्रत्यारोपित नाइट्रोजन आयनहरूलाई सक्रिय गर्न एनेल गरिन्छ।

☆चरण 3: ग्रिड बनाउनुहोस्

ग्रिड बनाउनुहोस्।स्रोत र नाली बीचको क्षेत्रमा, गेट अक्साइड तह उच्च तापमान अक्सीकरण प्रक्रिया द्वारा तयार गरिन्छ, र गेट इलेक्ट्रोड तह गेट नियन्त्रण संरचना गठन गर्न जम्मा गरिन्छ।

☆चरण 4: निष्क्रिय तहहरू बनाउने

Passivation लेयर बनाइएको छ।इन्टरइलेक्ट्रोड ब्रेकडाउन रोक्नको लागि राम्रो इन्सुलेशन विशेषताहरूको साथ एक निष्क्रिय तह जम्मा गर्नुहोस्।

☆चरण 5: ड्रेन-स्रोत इलेक्ट्रोडहरू बनाउनुहोस्

नाली र स्रोत बनाउनुहोस्।प्यासिभेशन लेयर छिद्रित छ र धातुलाई नाली र स्रोत बनाउनको लागि स्पटर गरिएको छ।

तस्बिर स्रोत: Xinxi क्यापिटल

यद्यपि त्यहाँ प्रक्रिया स्तर र सिलिकन आधारित सिलिकन कार्बाइड सामाग्री को विशेषताहरु को बीच मा केहि फरक छ,आयन प्रत्यारोपण र एनिलिङ उच्च तापक्रम वातावरणमा गर्न आवश्यक छ(1600 डिग्री सेल्सियस सम्म), उच्च तापमानले सामग्रीको जाली संरचनालाई असर गर्नेछ, र कठिनाईले उत्पादनलाई पनि असर गर्नेछ।

थप रूपमा, MOSFET कम्पोनेन्टहरूको लागि,गेट अक्सिजनको गुणस्तरले च्यानल गतिशीलता र गेट विश्वसनीयतालाई प्रत्यक्ष असर गर्छ, किनभने सिलिकन कार्बाइड सामग्रीमा दुई प्रकारका सिलिकन र कार्बन परमाणुहरू छन्।

त्यसकारण, एक विशेष गेट मध्यम वृद्धि विधि आवश्यक छ (अर्को बिन्दु सिलिकन कार्बाइड पाना पारदर्शी छ, र फोटोलिथोग्राफी चरणमा स्थिति पङ्क्तिबद्ध सिलिकन गर्न गाह्रो छ)।

वेफर निर्माण पूरा भएपछि, व्यक्तिगत चिपलाई खाली चिपमा काटिन्छ र उद्देश्य अनुसार प्याकेज गर्न सकिन्छ।अलग उपकरणहरूको लागि साझा प्रक्रिया TO प्याकेज हो।

TO-247 प्याकेजमा 650V CoolSiC™ MOSFETs

तस्बिर: इन्फिनोन

अटोमोटिभ फिल्डमा उच्च शक्ति र तातो अपव्यय आवश्यकताहरू छन्, र कहिलेकाहीँ यो सीधा पुल सर्किटहरू (आधा पुल वा पूर्ण पुल, वा सीधा डायोडहरूसँग प्याकेज गरिएको) निर्माण गर्न आवश्यक छ।

त्यसकारण, यो प्राय: मोड्युल वा प्रणालीहरूमा सीधा प्याकेज गरिन्छ।एउटै मोड्युलमा प्याकेज गरिएका चिप्सको सङ्ख्याका अनुसार, साझा फारम 1 in 1 (BorgWarner), 6 in 1 (Infineon), आदि हो, र केही कम्पनीहरूले एकल-ट्यूब समानान्तर योजना प्रयोग गर्छन्।

Borgwarner Viper

डबल पक्षीय पानी कूलिंग र SiC-MOSFET समर्थन गर्दछ

Infineon CoolSiC™ MOSFET मोड्युलहरू

सिलिकन विपरीत,सिलिकन कार्बाइड मोड्युलहरू उच्च तापमानमा काम गर्छन्, लगभग 200 डिग्री सेल्सियस।

परम्परागत नरम मिलाप तापमान पिघलने बिन्दु तापमान कम छ, तापमान आवश्यकताहरू पूरा गर्न सक्दैन।तसर्थ, सिलिकन कार्बाइड मोड्युलहरू प्रायः कम-तापमान चाँदी सिंटरिङ वेल्डिङ प्रक्रिया प्रयोग गर्छन्।

मोड्युल पूरा भएपछि, यो भाग प्रणाली लागू गर्न सकिन्छ।

Tesla Model3 मोटर नियन्त्रक

बेयर चिप ST, स्व-विकसित प्याकेज र इलेक्ट्रिक ड्राइभ प्रणालीबाट आउँछ

☆02 SiC को आवेदन स्थिति?

मोटर वाहन क्षेत्रमा, पावर उपकरणहरू मुख्य रूपमा प्रयोग गरिन्छDCDC, OBC, मोटर इन्भर्टर, इलेक्ट्रिक वातानुकूलित इन्भर्टर, वायरलेस चार्जिङ र अन्य भागहरूजसलाई AC/DC द्रुत रूपान्तरण आवश्यक हुन्छ (DCDC मुख्यतया द्रुत स्विचको रूपमा कार्य गर्दछ)।

फोटो: BorgWarner

सिलिकन-आधारित सामग्रीको तुलनामा, SIC सामग्रीहरू उच्च छन्महत्वपूर्ण हिमस्खलन ब्रेकडाउन क्षेत्र शक्ति(3×106V/cm),राम्रो थर्मल चालकता(49W/mK) रफराकिलो ब्यान्ड अंतर(3.26eV)।

ब्यान्ड ग्याप जति फराकिलो हुन्छ, चुहावटको प्रवाह जति सानो हुन्छ र दक्षता त्यति नै बढी हुन्छ।थर्मल चालकता राम्रो, वर्तमान घनत्व उच्च।महत्वपूर्ण हिमस्खलन ब्रेकडाउन क्षेत्र जति बलियो हुन्छ, उपकरणको भोल्टेज प्रतिरोध सुधार गर्न सकिन्छ।

तसर्थ, अन-बोर्ड उच्च भोल्टेजको क्षेत्रमा अवस्थित सिलिकन-आधारित IGBT र FRD संयोजनलाई प्रतिस्थापन गर्न सिलिकन कार्बाइड सामग्रीहरूद्वारा तयार गरिएको MOSFETs र SBD ले प्रभावकारी रूपमा शक्ति र दक्षता सुधार गर्न सक्छ,विशेष गरी उच्च आवृत्ति अनुप्रयोग परिदृश्यहरूमा स्विचिङ घाटा कम गर्न।

हाल, यो ओबीसी र DCDC पछि, मोटर इन्भर्टरहरूमा ठूला-ठूला अनुप्रयोगहरू प्राप्त गर्ने सम्भावना छ।

800V भोल्टेज प्लेटफर्म

800V भोल्टेज प्लेटफर्ममा, उच्च आवृत्तिको फाइदाले उद्यमहरूलाई SiC-MOSFET समाधान छनौट गर्न थप झुकाव बनाउँछ।त्यसैले, हालको 800V इलेक्ट्रोनिक नियन्त्रण योजना SiC-MOSFET को अधिकांश।

प्लेटफर्म-स्तर योजना समावेश छआधुनिक E-GMP, GM Otenergy - पिकअप फिल्ड, Porsche PPE, र Tesla EPA।पोर्श PPE प्लेटफर्म मोडेलहरू बाहेक जसले स्पष्ट रूपमा SiC-MOSFET (पहिलो मोडेल सिलिका-आधारित IGBT हो) बोक्न सक्दैन, अन्य वाहन प्लेटफर्महरूले SiC-MOSFET योजनाहरू अपनाउछन्।

युनिवर्सल अल्ट्रा ऊर्जा प्लेटफर्म

800V मोडेल योजना अधिक छ,ग्रेट वाल सैलून ब्रान्ड Jiagirong, Beiqi पोल Fox S HI संस्करण, आदर्श कार S01 र W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 ले 800V प्लेटफर्म बोक्ने, BYD, Lantu, GAC'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW रेड फ्ल्याग, फक्सवागनले पनि 800V प्रविधि अनुसन्धानमा बोक्ने बताएको छ।

Tier1 आपूर्तिकर्ताहरू द्वारा प्राप्त 800V आदेशहरूको स्थितिबाट,BorgWarner, Wipai टेक्नोलोजी, ZF, संयुक्त इलेक्ट्रोनिक्स, र Huichuanसबै घोषणा 800V इलेक्ट्रिक ड्राइभ आदेश।

400V भोल्टेज प्लेटफर्म

400V भोल्टेज प्लेटफर्ममा, SiC-MOSFET मुख्यतया उच्च शक्ति र शक्ति घनत्व र उच्च दक्षता को विचार मा छ।

जस्तै Tesla Model 3\Y मोटर जुन अहिले ठूलो मात्रामा उत्पादन भएको छ, BYD Hanhou मोटरको चरम शक्ति लगभग 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO ले SiC-MOSFET7 बाट सुरु हुने उत्पादनहरू पनि प्रयोग गर्नेछ। र ET5 जुन पछि सूचीबद्ध हुनेछ।पीक पावर 240Kw (ET5 210Kw) हो।

थप रूपमा, उच्च दक्षताको परिप्रेक्ष्यबाट, केही उद्यमहरूले सहायक बाढी SiC-MOSFET उत्पादनहरूको सम्भाव्यता पनि खोजिरहेका छन्।