בהשוואה למוליכים למחצה מבוססי סיליקון, למוליכים למחצה מסיליקון קרביד (SiC) יש יתרונות משמעותיים בתדירות מיתוג, הפסדים, פיזור חום, מזעור וכו'.
עם הייצור בקנה מידה גדול של ממירי סיליקון קרביד על ידי טסלה, חברות נוספות החלו גם הן להנחית מוצרים מסיליקון קרביד.
SiC הוא כל כך "מדהים", איך לעזאזל הוא נוצר? מהם היישומים שלו עכשיו? בואו נראה!
01 ☆ לידתו של SiC
כמו מוליכים למחצה אחרים להספק, שרשרת תעשיית ה-SiC-MOSFET כוללתהקשר בין גביש ארוך - מצע - אפיטקסיה - עיצוב - ייצור - אריזה.
גביש ארוך
במהלך הקישור הגבישי הארוך, בניגוד לשיטת טירה בהכנת סיליקון גבישי יחיד, סיליקון קרביד מאמץ בעיקר את שיטת הובלת גז פיזיקלית (PVT, הידועה גם כשיטת Lly משופרת או שיטת סובלימציה של גביש זרעים), ותוספות של שיטת שקיעת גז כימית בטמפרטורה גבוהה (HTCVD).
☆ שלב ליבה
1. חומר גלם מוצק פחמני;
2. לאחר החימום, מוצק הקרביד הופך לגז;
3. גז נע אל פני השטח של גביש הזרע;
4. גז גדל על פני גביש הזרעים לגביש.
מקור תמונה: "נקודה טכנית לפירוק סיליקון קרביד לגידול PVT"
אומנות שונה גרמה לשני חסרונות עיקריים בהשוואה לבסיס סיליקון:
ראשית, הייצור קשה והתפוקה נמוכה.הטמפרטורה של פאזת הגז המבוססת על פחמן עולה על 2300 מעלות צלזיוס והלחץ הוא 350 מגה פסקל. כל הקופסה הכהה מבוצעת, וקל לערבב אותה עם זיהומים. התשואה נמוכה יותר מאשר בסיס סיליקון. ככל שהקוטר גדול יותר, כך התשואה נמוכה יותר.
השני הוא צמיחה איטית.ניהול שיטת ה-PVT איטי מאוד, המהירות היא כ-0.3-0.5 מ"מ/שעה, והיא יכולה לגדול 2 ס"מ תוך 7 ימים. המקסימום יכול לגדול רק 3-5 ס"מ, וקוטר מטיל הגביש הוא בעיקר 4 אינץ' ו-6 אינץ'.
ה-72H מבוסס הסיליקון יכול לגדול לגובה של 2-3 מטר, עם קטרים של בעיקר 6 אינץ' וקיבולת ייצור חדשה של 8 אינץ' עבור 12 אינץ'.לכן, סיליקון קרביד נקרא לעתים קרובות מטיל קריסטל, וסיליקון הופך למקל קריסטל.
מטילי גביש סיליקון קרביד
מצע
לאחר השלמת הגביש הארוך, הוא נכנס לתהליך הייצור של המצע.
לאחר חיתוך ממוקד, השחזה (השחזה גסה, השחזה דקה), ליטוש (ליטוש מכני), ליטוש מדויק במיוחד (ליטוש כימי מכני), מתקבל מצע סיליקון קרביד.
המצע משחק בעיקרתפקיד התמיכה הפיזית, מוליכות תרמית ומוליכות.הקושי בעיבוד הוא שחומר הסיליקון קרביד הוא בעל תכונות כימיות גבוהות, פריכות ויציבות. לכן, שיטות עיבוד מסורתיות מבוססות סיליקון אינן מתאימות למצע סיליקון קרביד.
איכות החיתוך משפיעה ישירות על הביצועים ויעילות הניצול (עלות) של מוצרי סיליקון קרביד, ולכן נדרשת חיתוך קטן, בעל עובי אחיד ועם חיתוך נמוך.
כַּיוֹם,4 אינץ' ו-6 אינץ' משתמשים בעיקר בציוד חיתוך רב-קוי,חיתוך גבישי סיליקון לפרוסות דקות בעובי של לא יותר מ-1 מ"מ.
תרשים סכמטי של חיתוך רב-קוי
בעתיד, עם הגידול בגודל פרוסות הסיליקון המפוחמות, העלייה בדרישות ניצול החומרים תגדל, וטכנולוגיות כמו חיתוך בלייזר והפרדה קרה גם הן יושמו בהדרגה.
בשנת 2018, רכשה אינפיניון את חברת Siltectra GmbH, שפיתחה תהליך חדשני המכונה פיצוח קר.
בהשוואה לתהליך חיתוך רב-חוטי מסורתי, אובדן של 1/4,תהליך הפיצוח הקר איבד רק 1/8 מחומר הסיליקון קרביד.
הַרחָבָה
מכיוון שחומר הסיליקון קרביד אינו יכול לייצר התקני כוח ישירות על המצע, נדרשים התקנים שונים על שכבת ההרחבה.
לכן, לאחר השלמת ייצור המצע, גדל שכבה דקה של גביש יחיד על המצע באמצעות תהליך ההרחבה.
כיום, נעשה שימוש בעיקר בשיטת שקיעת גז כימית (CVD).
לְעַצֵב
לאחר ייצור המצע, הוא נכנס לשלב עיצוב המוצר.
עבור MOSFET, מוקד תהליך התכנון הוא תכנון החריץ,מצד אחד כדי למנוע הפרת פטנטים(לאינפיניון, רוהם, ST וכו' יש פריסת פטנט), ומצד שני ללעמוד בעלויות הייצור והיכולת לייצר.
ייצור פרוסות
לאחר השלמת עיצוב המוצר, הוא נכנס לשלב ייצור הוופלים,והתהליך דומה בערך לזה של סיליקון, שיש לו בעיקר את 5 השלבים הבאים.
☆שלב 1: הזרקת המסכה
מייצרים שכבה של סרט סיליקון תחמוצת (SiO2), מצופים את הפוטורזיסט, נוצרת דוגמת הפוטורזיסט באמצעות שלבי הומוגניזציה, חשיפה, פיתוח וכו', והדמות מועברת לסרט התחמוצת באמצעות תהליך איכול.
☆שלב 2: השתלת יונים
פרוסות סיליקון קרביד הממוסות ממוקמות במכונת השתלת יונים, שם מוזרקים יוני אלומיניום ליצירת אזור סימום מסוג P, ומחושלות כדי להפעיל את יוני האלומיניום המושתלים.
סרט התחמוצת מוסר, יוני חנקן מוזרקים לאזור ספציפי של אזור הסימום מסוג P כדי ליצור אזור מוליך מסוג N של הניקוז והמקור, ויוני החנקן המושתלים עוברים חישול כדי להפעיל אותם.
☆שלב 3: צור את הרשת
הכינו את הרשת. באזור שבין המקור לניקוז, שכבת תחמוצת השער מוכנה בתהליך חמצון בטמפרטורה גבוהה, ושכבת אלקטרודת השער מופקדת ליצירת מבנה בקרת השער.
☆שלב 4: יצירת שכבות פסיבציה
נוצרת שכבת פסיבציה. יש להניח שכבת פסיבציה בעלת מאפייני בידוד טובים כדי למנוע התמוטטות בין האלקטרודות.
☆שלב 5: יצירת אלקטרודות מקור ניקוז
צור ניקוז ומקור. שכבת הפסיבציה מחוררת ומתכת עוברת התזה ליצירת ניקוז ומקור.
מקור תמונה: Xinxi Capital
למרות שיש הבדל קטן בין רמת התהליך לבין חומרים מבוססי סיליקון, בשל המאפיינים של חומרי סיליקון קרביד,השתלת יונים וחישול צריכים להתבצע בסביבה בטמפרטורה גבוהה(עד 1600 מעלות צלזיוס), טמפרטורה גבוהה תשפיע על מבנה הסריג של החומר עצמו, והקושי ישפיע גם על התשואה.
בנוסף, עבור רכיבי MOSFET,איכות החמצן של השער משפיעה ישירות על ניידות התעלה ואמינות השער, מכיוון שיש שני סוגים של אטומי סיליקון ופחמן בחומר סיליקון קרביד.
לכן, נדרשת שיטת גידול מיוחדת של מדיום שער (נקודה נוספת היא שיריעת הסיליקון קרביד שקופה, ויישור המיקום בשלב הפוטוליתוגרפיה קשה לסיליקון).
לאחר השלמת ייצור הוופל, השבב הבודד נחתך לשבב חשוף וניתן לארוז אותו בהתאם למטרה. התהליך הנפוץ עבור התקנים בדידים הוא אריזת TO.
טרנזיסטורי MOSFET CoolSiC™ 650V במארז TO-247
צילום: אינפיניון
לתחום הרכב דרישות גבוהות של הספק ופיזור חום, ולפעמים יש צורך לבנות ישירות מעגלי גשר (חצי גשר או גשר מלא, או ארוזים ישירות עם דיודות).
לכן, לעתים קרובות הוא נארז ישירות לתוך מודולים או מערכות. בהתאם למספר השבבים הארוזים במודול בודד, הצורה הנפוצה היא 1 ב-1 (BorgWarner), 6 ב-1 (Infineon) וכו', וחלק מהחברות משתמשות בתוכנית מקבילית של צינור יחיד.
בורגוורנר ויפר
תומך בקירור מים דו-צדדי וב-SiC-MOSFET
מודולי MOSFET של Infineon CoolSiC™
בניגוד לסיליקון,מודולי סיליקון קרביד פועלים בטמפרטורה גבוהה יותר, כ-200 מעלות צלזיוס.
טמפרטורת נקודת ההיתוך של הלחמה רכה מסורתית נמוכה, ואינה יכולה לעמוד בדרישות הטמפרטורה. לכן, מודולי סיליקון קרביד משתמשים לעתים קרובות בתהליך ריתוך סינטור כסף בטמפרטורה נמוכה.
לאחר השלמת המודול, ניתן ליישם אותו על מערכת החלקים.
בקר מנוע טסלה דגם 3
השבב החשוף מגיע מ-ST, חבילה שפותחה בעצמה ומערכת הנעה חשמלית
☆02 סטטוס יישום של SiC?
בתחום הרכב, מכשירי חשמל משמשים בעיקר בDCDC, OBC, ממירי מנוע, ממירי מיזוג אוויר חשמליים, טעינה אלחוטית וחלקים אחריםהדורשים המרה מהירה של AC/DC (DCDC משמש בעיקר כמתג מהיר).
צילום: בורגוורנר
בהשוואה לחומרים מבוססי סיליקון, לחומרי SIC יש מאפיינים גבוהים יותרעוצמת שדה קריטי להתמוטטות מפולת שלגים(3×106 וולט/ס"מ),מוליכות תרמית טובה יותר(49W/mK) ופער פס רחב יותר(3.26eV).
ככל שפער המתח רחב יותר, כך זרם הדליפה קטן יותר והיעילות גבוהה יותר. ככל שהמוליכות התרמית טובה יותר, כך צפיפות הזרם גבוהה יותר. ככל ששדה קריסת המפולת הקריטי חזק יותר, כך ניתן לשפר את התנגדות המתח של המכשיר.
לכן, בתחום מתח גבוה על הלוח, טרנזיסטורי MOSFET ו-SBD המוכנים מחומרי סיליקון קרביד כדי להחליף את השילוב הקיים של IGBT ו-FRD מבוססי סיליקון יכולים לשפר ביעילות את ההספק והיעילות,במיוחד בתרחישי יישומים בתדירות גבוהה כדי להפחית הפסדי מיתוג.
נכון לעכשיו, סביר להניח שהוא ישיג יישומים בקנה מידה גדול בממירי מנוע, ואחריהם OBC ו- DCDC.
פלטפורמת מתח 800V
בפלטפורמת המתח של 800 וולט, היתרון של תדר גבוה גורם לארגונים להיות נוטים יותר לבחור בפתרון SiC-MOSFET. לכן, רוב תכנון הבקרה האלקטרונית הנוכחי של 800 וולט הוא SiC-MOSFET.
תכנון ברמת הפלטפורמה כוללE-GMP מודרני, GM Otenergy – שדה איסוף, Porsche PPE, ו-Tesla EPA.למעט דגמי פלטפורמת פורשה PPE שאינם נושאים במפורש SiC-MOSFET (הדגם הראשון הוא IGBT מבוסס סיליקה), פלטפורמות רכב אחרות מאמצות סכמות SiC-MOSFET.
פלטפורמת האנרגיה האוניברסלית אולטרה
תכנון מודל 800V הוא יותר,מותג הסלון של החומה הגדולה ג'יאגירונג, גרסת ה-S HI של Beiqi מוט פוקס, רכב אידיאלי S01 ו-W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 אמרו כי הוא יישא פלטפורמת 800V, בנוסף ל-BYD, Lantu, GAC 'an, מרצדס-בנץ, זירו ראן, FAW Red Flag, פולקסווגן אמרו גם הם כי טכנולוגיית 800V נמצאת במחקר.
ממצב הזמנות 800V שהתקבלו על ידי ספקי Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics ו-Huichuanכל הזמנות ההנעה החשמלית 800V שהוכרזו.
פלטפורמת מתח 400V
בפלטפורמת המתח 400V, SiC-MOSFET מושם בעיקר בחשבון הספק גבוה וצפיפות הספק גבוהות ויעילות גבוהה.
כמו מנוע טסלה דגם 3/Y שמיוצר כיום בהספק המוני, שיא ההספק של מנוע BYD Hanhou הוא כ-200 קילוואט (טסלה 202 קילוואט, 194 קילוואט, 220 קילוואט, BYD 180 קילוואט), NIO תשתמש גם במוצרי SiC-MOSFET החל מדגם ET7 ו-ET5 שיפורטו בהמשך. שיא ההספק הוא 240 קילוואט (ET5 210 קילוואט).
בנוסף, מנקודת מבט של יעילות גבוהה, חלק מהארגונים בוחנים גם את היתכנות ההצפה של מוצרי SiC-MOSFET עזר.
זמן פרסום: 08 ביולי 2023
