Dibandingkan dengan semikonduktor daya berbasis silikon, semikonduktor daya SiC (silikon karbida) memiliki keunggulan signifikan dalam frekuensi switching, kehilangan, pembuangan panas, miniaturisasi, dll.
Dengan produksi inverter silikon karbida dalam skala besar oleh Tesla, lebih banyak perusahaan juga mulai memproduksi produk silikon karbida.
SiC sungguh "luar biasa", bagaimana mungkin ia dibuat? Apa saja aplikasinya sekarang? Mari kita lihat!
01 ☆ Kelahiran SiC
Seperti semikonduktor daya lainnya, rantai industri SiC-MOSFET meliputihubungan panjang kristal – substrat – epitaksi – desain – manufaktur – pengemasan.
Kristal panjang
Selama hubungan kristal panjang, tidak seperti persiapan metode Tira yang digunakan oleh silikon kristal tunggal, silikon karbida terutama mengadopsi metode pengangkutan gas fisik (PVT, juga dikenal sebagai Lly yang ditingkatkan atau metode sublimasi kristal benih), suplemen metode deposisi gas kimia suhu tinggi (HTCVD).
☆ Langkah inti
1. Bahan baku padat karbonik;
2. Setelah pemanasan, padatan karbida menjadi gas;
3. Gas bergerak ke permukaan kristal benih;
4. Gas tumbuh di permukaan kristal benih menjadi kristal.
Sumber gambar: “Titik Teknis untuk membongkar silikon karbida pertumbuhan PVT”
Pengerjaan yang berbeda telah menyebabkan dua kelemahan utama dibandingkan dengan basis silikon:
Pertama, produksinya sulit dan hasilnya rendah.Suhu fase gas berbasis karbon meningkat di atas 2300 °C dan tekanannya mencapai 350 MPa. Seluruh kotak gelap terekspos, dan mudah tercampur dengan pengotor. Hasil yang diperoleh lebih rendah daripada basis silikon. Semakin besar diameternya, semakin rendah hasilnya.
Yang kedua adalah pertumbuhan yang lambat.Proses tata kelola metode PVT sangat lambat, kecepatannya sekitar 0,3-0,5 mm/jam, dan dapat tumbuh 2 cm dalam 7 hari. Maksimum hanya dapat tumbuh 3-5 cm, dan diameter ingot kristal umumnya 4 inci dan 6 inci.
72H berbasis silikon dapat tumbuh hingga ketinggian 2-3m, dengan diameter sebagian besar 6 inci dan kapasitas produksi baru 8 inci untuk 12 inci.Oleh karena itu, silikon karbida sering disebut ingot kristal, dan silikon menjadi batangan kristal.
Ingot kristal silikon karbida
Substrat
Setelah kristal panjang selesai, ia memasuki proses produksi substrat.
Setelah pemotongan yang ditargetkan, penggilingan (penggilingan kasar, penggilingan halus), pemolesan (pemolesan mekanis), pemolesan ultra-presisi (pemolesan mekanis kimia), substrat silikon karbida diperoleh.
Substrat terutama berperanperan dukungan fisik, konduktivitas termal dan konduktivitas.Kesulitan pemrosesan terletak pada tingginya sifat kimia silikon karbida, renyah, dan stabilnya bahan tersebut. Oleh karena itu, metode pemrosesan berbasis silikon tradisional tidak cocok untuk substrat silikon karbida.
Kualitas efek pemotongan secara langsung mempengaruhi kinerja dan efisiensi pemanfaatan (biaya) produk silikon karbida, sehingga harus berukuran kecil, ketebalannya seragam, dan pemotongannya rendah.
Saat ini,4 inci dan 6 inci terutama menggunakan peralatan pemotongan multi-garis,memotong kristal silikon menjadi irisan tipis dengan ketebalan tidak lebih dari 1 mm.
Diagram skema pemotongan multi-garis
Di masa mendatang, dengan bertambahnya ukuran wafer silikon berkarbonisasi, peningkatan kebutuhan pemanfaatan material akan meningkat, dan teknologi seperti pemotongan laser dan pemisahan dingin juga akan diterapkan secara bertahap.
Pada tahun 2018, Infineon mengakuisisi Siltectra GmbH, yang mengembangkan proses inovatif yang dikenal sebagai cold cracking.
Dibandingkan dengan proses pemotongan multi-kawat tradisional yang kehilangan 1/4,proses retak dingin hanya kehilangan 1/8 bahan silikon karbida.
Perpanjangan
Karena bahan silikon karbida tidak dapat membuat perangkat daya langsung pada substrat, berbagai perangkat diperlukan pada lapisan ekstensi.
Oleh karena itu, setelah produksi substrat selesai, film tipis kristal tunggal yang spesifik ditumbuhkan pada substrat melalui proses ekstensi.
Saat ini, proses metode deposisi gas kimia (CVD) yang terutama digunakan.
Desain
Setelah substrat dibuat, ia memasuki tahap desain produk.
Untuk MOSFET, fokus proses desain adalah desain alur,di satu sisi untuk menghindari pelanggaran paten(Infineon, Rohm, ST, dll., memiliki tata letak paten), dan di sisi lain untukmemenuhi kemampuan produksi dan biaya produksi.
Pembuatan wafer
Setelah desain produk selesai, masuk ke tahap pembuatan wafer,dan prosesnya kurang lebih sama dengan silikon, yang pada dasarnya memiliki 5 langkah berikut.
☆Langkah 1: Suntikkan masker
Lapisan film silikon oksida (SiO2) dibuat, fotoresist dilapisi, pola fotoresist dibentuk melalui langkah-langkah homogenisasi, pemaparan, pengembangan, dst., dan gambar dipindahkan ke film oksida melalui proses etsa.
☆Langkah 2: Implantasi ion
Wafer silikon karbida bertopeng ditempatkan ke dalam implanter ion, tempat ion aluminium disuntikkan untuk membentuk zona doping tipe-P, dan dianil untuk mengaktifkan ion aluminium yang ditanamkan.
Lapisan oksida dilepaskan, ion nitrogen disuntikkan ke dalam daerah spesifik dari daerah doping tipe-P untuk membentuk daerah konduktif tipe-N dari saluran pembuangan dan sumber, dan ion nitrogen yang ditanamkan dianil untuk mengaktifkannya.
☆Langkah 3: Buat kisi-kisi
Buat kisi-kisi. Di area antara sumber dan drain, lapisan oksida gerbang disiapkan melalui proses oksidasi suhu tinggi, dan lapisan elektroda gerbang diendapkan untuk membentuk struktur kontrol gerbang.
☆Langkah 4: Membuat lapisan pasivasi
Lapisan pasivasi telah dibuat. Lapisan pasivasi dengan karakteristik insulasi yang baik telah dibuat untuk mencegah kerusakan antarelektroda.
☆Langkah 5: Buat elektroda drain-source
Buat saluran pembuangan dan sumber. Lapisan pasivasi dilubangi dan logam disemprotkan untuk membentuk saluran pembuangan dan sumber.
Sumber Foto: Ibu Kota Xinxi
Meskipun terdapat sedikit perbedaan antara tingkat proses dan berbasis silikon, karena karakteristik bahan silikon karbida,Implantasi ion dan anil perlu dilakukan di lingkungan suhu tinggi(hingga 1600 ° C), suhu tinggi akan memengaruhi struktur kisi material itu sendiri, dan kesulitannya juga akan memengaruhi hasil.
Selain itu, untuk komponen MOSFET,kualitas oksigen gerbang secara langsung mempengaruhi mobilitas saluran dan keandalan gerbang, karena ada dua jenis atom silikon dan karbon dalam bahan silikon karbida.
Oleh karena itu, diperlukan metode pertumbuhan media gerbang khusus (poin lainnya adalah lembaran silikon karbida bersifat transparan, dan penyelarasan posisi pada tahap fotolitografi sulit dilakukan dengan silikon).
Setelah proses pembuatan wafer selesai, masing-masing chip dipotong menjadi chip polos dan dapat dikemas sesuai kebutuhan. Proses umum untuk perangkat diskrit adalah pengemasan TO.
MOSFET CoolSiC™ 650V dalam paket TO-247
Foto: Infineon
Bidang otomotif memiliki persyaratan daya dan pembuangan panas yang tinggi, dan terkadang perlu membangun sirkuit jembatan secara langsung (setengah jembatan atau jembatan penuh, atau langsung dikemas dengan dioda).
Oleh karena itu, seringkali dikemas langsung ke dalam modul atau sistem. Berdasarkan jumlah chip yang dikemas dalam satu modul, bentuk umumnya adalah 1 in 1 (BorgWarner), 6 in 1 (Infineon), dan sebagainya, dan beberapa perusahaan menggunakan skema paralel satu tabung.
Ular Berbisa Borgwarner
Mendukung pendinginan air dua sisi dan SiC-MOSFET
Modul MOSFET Infineon CoolSiC™
Tidak seperti silikon,Modul silikon karbida beroperasi pada suhu yang lebih tinggi, sekitar 200 ° C.
Suhu titik leleh solder lunak tradisional rendah, sehingga tidak dapat memenuhi persyaratan suhu. Oleh karena itu, modul silikon karbida sering menggunakan proses pengelasan sintering perak suhu rendah.
Setelah modul selesai, modul tersebut dapat diterapkan ke sistem komponen.
Pengontrol motor Tesla Model3
Chip kosong berasal dari ST, paket yang dikembangkan sendiri dan sistem penggerak listrik
☆02 Status aplikasi SiC?
Dalam bidang otomotif, perangkat tenaga terutama digunakan dalamDCDC, OBC, inverter motor, inverter AC listrik, pengisian nirkabel, dan bagian lainnyayang memerlukan konversi cepat AC/DC (DCDC terutama berfungsi sebagai sakelar cepat).
Foto: BorgWarner
Dibandingkan dengan bahan berbasis silikon, bahan SIC memilikikekuatan medan longsor kritis(3×106V/cm),konduktivitas termal yang lebih baik(49W/mK) dancelah pita yang lebih lebar(3,26eV).
Semakin lebar celah pita, semakin kecil arus bocor dan semakin tinggi efisiensinya. Semakin baik konduktivitas termal, semakin tinggi pula kerapatan arusnya. Semakin kuat medan tembus longsor kritis, resistansi tegangan perangkat dapat ditingkatkan.
Oleh karena itu, di bidang tegangan tinggi on-board, MOSFET dan SBD yang disiapkan oleh bahan silikon karbida untuk menggantikan kombinasi IGBT dan FRD berbasis silikon yang ada dapat secara efektif meningkatkan daya dan efisiensi,terutama dalam skenario aplikasi frekuensi tinggi untuk mengurangi kerugian peralihan.
Saat ini, kemungkinan besar akan mencapai aplikasi skala besar pada inverter motor, diikuti oleh OBC dan DCDC.
Platform tegangan 800V
Pada platform tegangan 800V, keunggulan frekuensi tinggi membuat perusahaan lebih cenderung memilih solusi SiC-MOSFET. Oleh karena itu, sebagian besar perencanaan kontrol elektronik 800V saat ini menggunakan SiC-MOSFET.
Perencanaan tingkat platform meliputi:E-GMP modern, GM Otenergy – bidang pikap, Porsche PPE, dan Tesla EPA.Kecuali untuk model platform Porsche PPE yang tidak secara eksplisit mengusung SiC-MOSFET (model pertama adalah IGBT berbasis silika), platform kendaraan lain mengadopsi skema SiC-MOSFET.
Platform energi Ultra Universal
Perencanaan model 800V lebih banyak,Merek Great Wall Salon Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI versi, mobil ideal S01 dan W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 dikatakan akan mengusung platform 800V, selain BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen juga mengatakan teknologi 800V dalam penelitian.
Dari situasi pesanan 800V yang diperoleh oleh pemasok Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics, dan Huichuansemua pesanan penggerak listrik 800V yang diumumkan.
Platform tegangan 400V
Pada platform tegangan 400V, SiC-MOSFET terutama mempertimbangkan daya dan kerapatan daya tinggi serta efisiensi tinggi.
Seperti motor Tesla Model 3/Y yang telah diproduksi massal saat ini, daya puncak motor BYD Hanhou sekitar 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW). NIO juga akan menggunakan produk SiC-MOSFET mulai dari ET7 dan ET5 yang akan disebutkan nanti. Daya puncaknya adalah 240 kW (ET5 210 kW).
Selain itu, dari perspektif efisiensi tinggi, beberapa perusahaan juga menjajaki kelayakan produk SiC-MOSFET banjir tambahan.
Waktu posting: 08-Jul-2023
