Im Vergleich zu Leistungshalbleitern auf Siliziumbasis haben Leistungshalbleiter aus SiC (Siliziumkarbid) erhebliche Vorteile hinsichtlich Schaltfrequenz, Verlust, Wärmeableitung, Miniaturisierung usw.
Mit der Massenproduktion von Siliziumkarbid-Wechselrichtern durch Tesla haben auch mehr Unternehmen begonnen, Siliziumkarbid-Produkte auf den Markt zu bringen.
SiC ist so „erstaunlich“, wie um Himmels Willen wurde es hergestellt? Welche Anwendungen gibt es jetzt? Mal sehen!
01 ☆ Geburt eines SiC
Wie andere Leistungshalbleiter umfasst die SiC-MOSFET-Industriekettedie lange Verbindung Kristall – Substrat – Epitaxie – Design – Herstellung – Verpackung.
Langer Kristall
Während der langen Kristallverbindung wird im Gegensatz zur Herstellung von Einkristallsilizium mit der Tira-Methode hauptsächlich die physikalische Gastransportmethode (PVT, auch als verbesserte Lly- oder Impfkristallsublimationsmethode bekannt) und die Hochtemperatur-Chemische-Gas-Abscheidungsmethode (HTCVD) verwendet.
☆ Kernschritt
1. Kohlensäurehaltiger fester Rohstoff;
2. Nach dem Erhitzen wird der Hartmetallfeststoff gasförmig;
3. Gas bewegt sich zur Oberfläche des Impfkristalls;
4. Auf der Oberfläche des Impfkristalls wächst Gas zu einem Kristall heran.
Bildquelle: „Technischer Punkt zur Demontage von PVT-Wachstumssiliziumkarbid“
Durch die unterschiedliche Verarbeitung ergeben sich gegenüber der Siliziumbasis zwei wesentliche Nachteile:
Erstens ist die Produktion schwierig und die Ausbeute gering.Die Temperatur der kohlenstoffbasierten Gasphase steigt auf über 2300 °C und der Druck beträgt 350 MPa. Die gesamte dunkle Box wird ausgeführt und es ist leicht, Verunreinigungen einzumischen. Die Ausbeute ist geringer als bei der Siliziumbasis. Je größer der Durchmesser, desto geringer die Ausbeute.
Der zweite Grund ist langsames Wachstum.Die Steuerung der PVT-Methode ist sehr langsam, die Geschwindigkeit beträgt etwa 0,3–0,5 mm/h und es kann in 7 Tagen 2 cm wachsen. Das Maximum kann nur 3–5 cm wachsen und der Durchmesser des Kristallbarrens beträgt meist 4 bis 6 Zoll.
Der auf Silizium basierende 72H kann eine Höhe von 2–3 m erreichen, wobei die Durchmesser meist 6 Zoll und 8 Zoll betragen, die neue Produktionskapazität liegt bei 12 Zoll.Daher wird Siliziumkarbid oft als Kristallbarren bezeichnet und Silizium wird zu einem Kristallstab.
Hartmetall-Siliziumkristall-Barren
Substrat
Nachdem der lange Kristall fertiggestellt ist, gelangt er in den Produktionsprozess des Substrats.
Nach gezieltem Schneiden, Schleifen (Grobschleifen, Feinschleifen), Polieren (mechanisches Polieren), Ultrapräzisionspolieren (chemisch-mechanisches Polieren) wird das Siliziumkarbid-Substrat erhalten.
Der Untergrund spielt vor allemdie Rolle der physischen Unterstützung, der Wärmeleitfähigkeit und der Leitfähigkeit.Die Schwierigkeit bei der Verarbeitung besteht darin, dass das Siliziumkarbidmaterial hohe, knusprige und stabile chemische Eigenschaften aufweist. Daher sind herkömmliche Verarbeitungsmethoden auf Siliziumbasis für Siliziumkarbidsubstrate nicht geeignet.
Die Qualität des Schneideffekts wirkt sich direkt auf die Leistung und Nutzungseffizienz (Kosten) von Siliziumkarbidprodukten aus. Daher sind geringe Größe, gleichmäßige Dicke und geringe Schnittleistung erforderlich.
Derzeit,4-Zoll und 6-Zoll verwendet hauptsächlich Multi-Line-Schneidegeräte,Schneiden von Siliziumkristallen in dünne Scheiben mit einer Dicke von nicht mehr als 1 mm.
Schematische Darstellung des mehrzeiligen Schneidens
Mit der zunehmenden Größe karbonisierter Siliziumwafer wird in Zukunft auch der Bedarf an Materialausnutzung steigen, und Technologien wie Laserschneiden und Kalttrennen werden nach und nach zum Einsatz kommen.
Im Jahr 2018 übernahm Infineon die Siltectra GmbH, die ein innovatives Verfahren namens Cold Cracking entwickelte.
Im Vergleich zum herkömmlichen Mehrdraht-Schneidprozess beträgt der Verlust 1/4,Beim Kaltrissverfahren ging nur 1/8 des Siliziumkarbidmaterials verloren.
Verlängerung
Da das Siliziumkarbidmaterial keine Leistungsgeräte direkt auf dem Substrat herstellen kann, sind verschiedene Geräte auf der Erweiterungsschicht erforderlich.
Daher wird nach Abschluss der Substratherstellung durch den Erweiterungsprozess ein spezieller Einkristall-Dünnfilm auf dem Substrat gezüchtet.
Derzeit wird hauptsächlich das Verfahren der chemischen Gasabscheidung (CVD) verwendet.
Design
Nachdem das Substrat hergestellt ist, beginnt die Produktdesignphase.
Bei MOSFETs liegt der Schwerpunkt des Designprozesses auf der Gestaltung der Nut,zum einen, um Patentverletzungen zu vermeiden(Infineon, Rohm, ST, etc., haben Patent-Layout), und auf der anderen Seite zudie Herstellbarkeit und die Herstellungskosten erfüllen.
Waferherstellung
Nachdem das Produktdesign abgeschlossen ist, tritt es in die Waferherstellungsphase ein.und der Prozess ähnelt in etwa dem von Silizium, der im Wesentlichen die folgenden 5 Schritte umfasst.
☆Schritt 1: Injizieren Sie die Maske
Es wird eine Schicht aus Siliziumoxid (SiO2) hergestellt, der Fotolack aufgetragen, das Fotolackmuster durch die Schritte Homogenisierung, Belichtung, Entwicklung usw. gebildet und die Figur durch den Ätzprozess auf den Oxidfilm übertragen.
☆Schritt 2: Ionenimplantation
Der maskierte Siliziumkarbid-Wafer wird in einen Ionenimplanter gelegt, wo Aluminiumionen injiziert werden, um eine P-Typ-Dotierungszone zu bilden, und getempert, um die implantierten Aluminiumionen zu aktivieren.
Der Oxidfilm wird entfernt, Stickstoffionen werden in einen bestimmten Bereich des P-Typ-Dotierungsbereichs injiziert, um einen N-Typ-Leitungsbereich des Drains und der Source zu bilden, und die implantierten Stickstoffionen werden getempert, um sie zu aktivieren.
☆Schritt 3: Erstellen Sie das Raster
Erstellen Sie das Gitter. Im Bereich zwischen Source und Drain wird die Gate-Oxidschicht durch einen Hochtemperaturoxidationsprozess hergestellt und die Gate-Elektrodenschicht abgeschieden, um die Gate-Steuerstruktur zu bilden.
☆Schritt 4: Passivierungsschichten herstellen
Es wird eine Passivierungsschicht hergestellt. Tragen Sie eine Passivierungsschicht mit guten Isolationseigenschaften auf, um einen Durchschlag zwischen den Elektroden zu verhindern.
☆Schritt 5: Drain-Source-Elektroden herstellen
Drain und Source herstellen. Die Passivierungsschicht wird perforiert und Metall aufgesputtert, um einen Drain und eine Source zu bilden.
Fotoquelle: Xinxi Capital
Obwohl es aufgrund der Eigenschaften von Siliziumkarbidmaterialien kaum Unterschiede zwischen der Prozessebene und der Siliziumbasis gibt,Ionenimplantation und Tempern müssen in einer Hochtemperaturumgebung durchgeführt werden(bis zu 1600 °C), hohe Temperaturen wirken sich auf die Gitterstruktur des Materials selbst aus und die Schwierigkeit wirkt sich auch auf die Ausbeute aus.
Darüber hinaus gilt für MOSFET-Komponenten:Die Qualität des Gate-Sauerstoffs wirkt sich direkt auf die Kanalmobilität und die Gate-Zuverlässigkeit aus, da es im Siliziumkarbidmaterial zwei Arten von Silizium- und Kohlenstoffatomen gibt.
Daher ist eine spezielle Methode zum Wachstum des Gate-Mediums erforderlich (ein weiterer Punkt ist, dass die Siliziumkarbidplatte transparent ist und die Positionsausrichtung im Stadium der Fotolithografie für Silizium schwierig ist).
Nach Abschluss der Waferherstellung wird der einzelne Chip in einen nackten Chip geschnitten und kann je nach Verwendungszweck verpackt werden. Das gängige Verfahren für diskrete Geräte ist das TO-Paket.
650-V-CoolSiC™-MOSFETs im TO-247-Gehäuse
Foto: Infineon
Im Automobilbereich bestehen hohe Anforderungen an Leistung und Wärmeableitung und manchmal ist es notwendig, Brückenschaltungen (Halbbrücke oder Vollbrücke oder direkt mit Dioden verpackt) direkt aufzubauen.
Daher wird es häufig direkt in Module oder Systeme verpackt. Je nach Anzahl der in einem einzelnen Modul verpackten Chips ist die übliche Form 1 in 1 (BorgWarner), 6 in 1 (Infineon) usw., und einige Unternehmen verwenden ein Einzelröhren-Parallelschema.
Borgwarner Viper
Unterstützt doppelseitige Wasserkühlung und SiC-MOSFET
Infineon CoolSiC™ MOSFET-Module
Im Gegensatz zu SiliziumSiliziumkarbidmodule arbeiten bei einer höheren Temperatur, etwa 200 °C.
Der Schmelzpunkt herkömmlicher Weichlote ist niedrig und kann die Temperaturanforderungen nicht erfüllen. Daher wird bei Siliziumkarbidmodulen häufig ein Niedertemperatur-Silbersinterschweißverfahren verwendet.
Nach Fertigstellung des Moduls kann es auf das Teilesystem angewendet werden.
Tesla Model3 Motorsteuerung
Der Bare-Chip kommt von ST, das Gehäuse und das elektrische Antriebssystem sind selbst entwickelt
☆02 Anwendungsstatus von SiC?
Im Automobilbereich werden Leistungsbauelemente vor allem inDCDC, OBC, Motorwechselrichter, Wechselrichter für elektrische Klimaanlagen, kabelloses Laden und andere Teiledie eine schnelle AC/DC-Umwandlung erfordern (DCDC fungiert hauptsächlich als schneller Schalter).
Foto: BorgWarner
Im Vergleich zu Silizium-basierten Materialien haben SIC-Materialien eine höherekritische Lawinendurchbruchfeldstärke(3×106 V/cm),bessere Wärmeleitfähigkeit(49W/mK) undgrößere Bandlücke(3,26 eV).
Je größer die Bandlücke, desto geringer der Leckstrom und desto höher der Wirkungsgrad. Je besser die Wärmeleitfähigkeit, desto höher die Stromdichte. Je stärker das kritische Lawinendurchbruchfeld ist, desto höher kann die Spannungsfestigkeit des Bauelements sein.
Daher können im Bereich der Bordhochspannung MOSFETs und SBDs aus Siliziumkarbidmaterialien als Ersatz für die vorhandene Kombination aus siliziumbasiertem IGBT und FRD die Leistung und Effizienz effektiv verbessern.insbesondere in Hochfrequenz-Anwendungsszenarien, um Schaltverluste zu reduzieren.
Derzeit ist es am wahrscheinlichsten, dass es in großem Maßstab in Motorwechselrichtern zum Einsatz kommt, gefolgt von OBC und DCDC.
800-V-Spannungsplattform
Bei einer 800-V-Spannungsplattform entscheiden sich Unternehmen aufgrund der hohen Frequenz eher für SiC-MOSFET-Lösungen. Daher verwenden die meisten aktuellen 800-V-Elektroniksteuerungen SiC-MOSFETs.
Die Planung auf Plattformebene umfasstmodernes E-GMP, GM Otenergy – Pickup-Feld, Porsche PPE und Tesla EPA.Mit Ausnahme der Porsche PPE-Plattformmodelle, die nicht explizit mit SiC-MOSFET ausgestattet sind (das erste Modell ist ein IGBT auf Siliziumdioxidbasis), verwenden andere Fahrzeugplattformen SiC-MOSFET-Schemata.
Universelle Ultra-Energieplattform
800V modell planung ist mehr,die Great Wall Salon Marke Jiagirong, Beiqi Pole Fox S HI Version, Ideal Car S01 und W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11 gab bekannt, dass es über eine 800-V-Plattform verfügen wird. Neben BYD, Lantu, GAC‘an, Mercedes-Benz, Zero Run und FAW Red Flag sagte auch Volkswagen, dass es sich in der Forschung um die 800-V-Technologie befinde.
Ausgehend von der Situation der 800V-Bestellungen, die von Tier1-Lieferanten erhalten wurden,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics und Huichuanalle angekündigten Bestellungen für 800-V-Elektroantriebe.
400-V-Spannungsplattform
Bei der 400-V-Spannungsplattform stehen bei SiC-MOSFET vor allem hohe Leistung und Leistungsdichte sowie hohe Effizienz im Vordergrund.
So wie der Motor des Tesla Model 3\Y, der jetzt in Massenproduktion hergestellt wird, beträgt die Spitzenleistung des BYD Hanhou-Motors etwa 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW). NIO wird ab ET7 und dem ET5, der später aufgeführt wird, auch SiC-MOSFET-Produkte verwenden. Die Spitzenleistung beträgt 240 kW (ET5 210 kW).
Darüber hinaus prüfen einige Unternehmen aus der Perspektive hoher Effizienz auch die Machbarkeit von SiC-MOSFET-Produkten mit Hilfsflutung.
Beitragszeit: 08.07.2023
