בהשוואה למוליכים למחצה מבוססי סיליקון, למוליכי כוח SiC (סיליקון קרביד) יש יתרונות משמעותיים בתדר מיתוג, אובדן, פיזור חום, מזעור וכו'.
עם הייצור בקנה מידה גדול של ממירי סיליקון קרביד על ידי טסלה, חברות נוספות החלו לנחות גם מוצרי סיליקון קרביד.
SiC כל כך "מדהים", איך לכל הרוחות זה נוצר?מהן האפליקציות עכשיו?בוא נראה!
01 ☆ הולדת SiC
כמו מוליכים למחצה אחרים, שרשרת תעשיית SiC-MOSFET כוללתהקריסטל הארוך - מצע - אפיטקסיה - עיצוב - ייצור - קישור אריזה.
קריסטל ארוך
במהלך קישור הגביש הארוך, בניגוד להכנת שיטת טירה המשמשת את סיליקון גביש יחיד, סיליקון קרביד מאמץ בעיקר שיטת הובלת גז פיזית (PVT, הידועה גם כשיטת Lly משופרת או שיטת גביש זרעים), שיטת השקעת גז כימית בטמפרטורה גבוהה (HTCVD ) תוספי תזונה.
☆ 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 הזרע לכדי גביש.
מקור תמונה: "נקודה טכנית לפירוק סיליקון קרביד לגידול PVT"
אומנות שונה גרמה לשני חסרונות עיקריים בהשוואה לבסיס הסיליקון:
ראשית, הייצור קשה והתשואה נמוכה.הטמפרטורה של שלב הגז המבוסס על פחמן גדלה מעל 2300 מעלות צלזיוס והלחץ הוא 350MPa.כל הקופסה הכהה מתבצעת, וזה קל לערבב לתוך זיהומים.התשואה נמוכה מבסיס הסיליקון.ככל שהקוטר גדול יותר, התשואה נמוכה יותר.
השני הוא צמיחה איטית.הניהול של שיטת PVT הוא איטי מאוד, המהירות היא בערך 0.3-0.5 מ"מ לשעה, והיא יכולה לגדול 2 ס"מ תוך 7 ימים.המקסימום יכול לגדול רק 3-5 ס"מ, והקוטר של מטיל הקריסטל הוא לרוב 4 אינץ' ו-6 אינץ'.
ה-72H המבוסס על סיליקון יכול לגדול לגובה של 2-3 מ', עם קטרים של בעיקר 6 אינץ' וכושר ייצור חדש של 8 אינץ' עבור 12 אינץ'.לכן, סיליקון קרביד נקרא לעתים קרובות מטיל קריסטל, וסיליקון הופך למקל קריסטל.
מטילי קריסטל סיליקון קרביד
מצע
לאחר השלמת הגביש הארוך, הוא נכנס לתהליך הייצור של המצע.
לאחר חיתוך ממוקד, השחזה (שחזה גסה, שחיקה עדינה), ליטוש (ליטוש מכני), ליטוש אולטרה-דיוק (ליטוש מכני כימי), מתקבל מצע הסיליקון קרביד.
המצע משחק בעיקרתפקיד התמיכה הפיזית, מוליכות תרמית ומוליכות.הקושי בעיבוד הוא שחומר הסיליקון קרביד גבוה, פריך ויציב בתכונות הכימיות.לכן, שיטות עיבוד מסורתיות מבוססות סיליקון אינן מתאימות למצע סיליקון קרביד.
איכות אפקט החיתוך משפיעה ישירות על הביצועים ויעילות הניצול (עלות) של מוצרי סיליקון קרביד, ולכן הוא נדרש להיות קטן, עובי אחיד וחיתוך נמוך.
בהווה,4 אינץ' ו-6 אינץ' משתמש בעיקר בציוד חיתוך רב-קו,חיתוך גבישי סיליקון לפרוסות דקות בעובי של לא יותר מ-1 מ"מ.
דיאגרמה סכמטית של חיתוך רב-קו
בעתיד, עם הגידול בגודל של פרוסות סיליקון מוגזות, הגידול בדרישות ניצול החומרים יגדל, וטכנולוגיות כמו חיתוך לייזר והפרדה קרה יושמו גם הן בהדרגה.
בשנת 2018, Infineon רכשה את Siltectra GmbH, שפיתחה תהליך חדשני המכונה פיצוח קר.
בהשוואה לאובדן תהליך חיתוך רב חוטי מסורתי של 1/4,תהליך הפיצוח הקר איבד רק 1/8 מחומר הסיליקון קרביד.
סיומת
מכיוון שחומר הסיליקון קרביד אינו יכול ליצור התקני חשמל ישירות על המצע, נדרשים התקנים שונים על שכבת ההרחבה.
לכן, לאחר סיום ייצור המצע, גדל סרט דק קריסטל ספציפי על המצע בתהליך ההרחבה.
כיום, נעשה שימוש בעיקר בתהליך השקעת הגז הכימי (CVD).
לְעַצֵב
לאחר יצירת המצע, הוא נכנס לשלב עיצוב המוצר.
עבור MOSFET, המוקד של תהליך העיצוב הוא עיצוב החריץ,מצד אחד כדי להימנע מהפרת פטנטים(Infineon, Rohm, ST וכו', יש פריסת פטנט), ומצד שני ללעמוד בכושר הייצור ובעלויות הייצור.
ייצור רקיק
לאחר השלמת עיצוב המוצר, הוא נכנס לשלב ייצור פרוסות,והתהליך דומה בערך לזה של סיליקון, שיש לו בעיקר את 5 השלבים הבאים.
☆שלב 1: הזרקו את המסכה
נוצרת שכבה של סרט תחמוצת סיליקון (SiO2), הפוטו-רזיסט מצופה, תבנית הפוטו-רזיסט נוצרת בשלבי הומוגניזציה, חשיפה, פיתוח וכו', והדמות מועברת לסרט התחמוצת בתהליך התחריט.
☆שלב 2: השתלת יונים
רקיקת הסיליקון קרביד המסוכה ממוקמת לתוך משתיל יונים, שבו מזריקים יוני אלומיניום ליצירת אזור סימום מסוג P, ומחולים 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 מחושלים כדי להפעיל אותם.
☆שלב 3: צור את הרשת
עשה את הרשת.באזור שבין המקור לניקוז, שכבת תחמוצת השער מוכנה בתהליך חמצון בטמפרטורה גבוהה, ושכבת אלקטרודת השער מופקדת ליצירת מבנה בקרת השער.
☆שלב 4: ביצוע שכבות פסיבציה
נוצרת שכבת פסיביות.הפקד שכבת פסיבציה עם מאפייני בידוד טובים כדי למנוע התמוטטות בין-אלקטרודה.
☆שלב 5: צור אלקטרודות מקור ניקוז
לעשות ניקוז ומקור.שכבת הפסיבציה מחוררת ומתכת מרוסרת ליצירת ניקוז ומקור.
מקור תמונה: Xinxi Capital
למרות שיש הבדל קטן בין רמת התהליך למבוסס 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 חמצן השער משפיעה ישירות על ניידות הערוץ ועל אמינות השער, מכיוון שיש שני סוגים של אטומי סיליקון ופחמן בחומר הסיליקון קרביד.
לכן, נדרשת שיטת גידול בינונית מיוחדת בשער (נקודה נוספת היא שיריעת הסיליקון קרביד שקופה, ויישור המיקום בשלב הפוטוליתוגרפיה קשה לסיליקון).
לאחר סיום ייצור הפרוסים, השבב הבודד נחתך לשבב חשוף וניתן לארוז אותו בהתאם למטרה.התהליך הנפוץ עבור מכשירים בדידים הוא חבילת TO.
650V CoolSiC™ MOSFETs באריזת TO-247
צילום: אינפיניון
לתחום הרכב דרישות הספק ופיזור חום גבוהות, ולעיתים יש צורך בבנייה ישירה של מעגלי גשר (חצי גשר או גשר מלא, או ארוז ישירות עם דיודות).
לכן, הוא ארוז לעתים קרובות ישירות לתוך מודולים או מערכות.לפי מספר השבבים הארוזים במודול בודד, הצורה הנפוצה היא 1 ב-1 (BorgWarner), 6 ב-1 (Infineon) וכו', וחלק מהחברות משתמשות בסכימה מקבילה של צינור יחיד.
בורגוורנר צפע
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 התכה של הלחמה רכה מסורתית נמוכה, אינה יכולה לעמוד בדרישות הטמפרטורה.לכן, מודולי סיליקון קרביד משתמשים לעתים קרובות בתהליך ריתוך כסף בטמפרטורה נמוכה.
לאחר השלמת המודול, ניתן להחיל אותו על מערכת החלקים.
בקר מנוע Tesla Model3
השבב החשוף מגיע מ-ST, מארז בפיתוח עצמי ומערכת הנעה חשמלית
☆02 סטטוס יישום של SiC?
בתחום הרכב, מכשירי כוח משמשים בעיקר בDCDC, OBC, ממירי מנוע, ממירי מיזוג חשמליים, טעינה אלחוטית וחלקים נוספיםהדורשים המרה מהירה AC/DC (DCDC פועל בעיקר כמתג מהיר).
צילום: BorgWarner
בהשוואה לחומרים מבוססי סיליקון, לחומרי SIC יש יותר גבוהעוצמת שדה קריטית של התמוטטות מפולת(3×106V/cm),מוליכות תרמית טובה יותר(49W/mK) ופער פס רחב יותר(3.26eV).
ככל שמרווח הרצועה רחב יותר, זרם הזליגה קטן יותר והיעילות גבוהה יותר.ככל שהמוליכות התרמית טובה יותר, כך צפיפות הזרם גבוהה יותר.ככל ששדה התמוטטות המפולת הקריטי חזק יותר, ניתן לשפר את התנגדות המתח של המכשיר.
לכן, בתחום המתח הגבוה המשולב, MOSFETs ו-SBD שהוכנו על ידי חומרי סיליקון קרביד להחלפת השילוב הקיים של IGBT ו-FRD על בסיס סיליקון יכולים לשפר ביעילות את ההספק והיעילות,במיוחד בתרחישי יישומים בתדר גבוה כדי להפחית את הפסדי המיתוג.
נכון לעכשיו, סביר להניח שישיג יישומים בקנה מידה גדול בממירי מנועים, ואחריהם OBC ו-DCDC.
פלטפורמת מתח 800V
בפלטפורמת המתח של 800V, היתרון של תדר גבוה גורם לארגונים להיות נוטים יותר לבחור בפתרון SiC-MOSFET.לכן, רוב תכנון הבקרה האלקטרוני 800V הנוכחי SiC-MOSFET.
תכנון ברמת הפלטפורמה כוללמודרני E-GMP, GM Otenergy – שדה טנדר, פורשה PPE, וטסלה EPA.מלבד דגמי פלטפורמת PPE של פורשה שאינם נושאים במפורש SiC-MOSFET (הדגם הראשון הוא IGBT מבוסס סיליקה), פלטפורמות רכב אחרות מאמצות תוכניות SiC-MOSFET.
פלטפורמת אנרגיה אולטרה אוניברסלית
תכנון מודל 800V הוא יותר,המותג Great Wall Salon Jiagirong, עמוד Beiqi Fox S HI גרסת, מכונית אידיאלית S01 ו-W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 אמר שהוא ישא פלטפורמת 800V, בנוסף ל-BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, פולקסווגן אמרו גם טכנולוגיית 800V במחקר.
מהמצב של הזמנות 800V שהושגו על ידי ספקי Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics ו-Huichuanכל הזמנות הכונן חשמלי 800V הכריזו.
פלטפורמת מתח 400V
בפלטפורמת המתח 400V, SiC-MOSFET הוא בעיקר בשיקול של הספק וצפיפות הספק גבוהים ויעילות גבוהה.
כמו מנוע טסלה דגם 3\Y שייצור המוני כעת, שיא ההספק של מנוע BYD Hanhou הוא כ-200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO תשתמש גם במוצרי SiC-MOSFET החל מ-ET7 וה-ET5 שיוצג בהמשך.שיא ההספק הוא 240Kw (ET5 210Kw).
בנוסף, מנקודת המבט של יעילות גבוהה, ארגונים מסוימים בוחנים גם את היתכנותם של מוצרי SiC-MOSFET הצפה עזר.
זמן פרסום: יולי-08-2023