Dibandingkan dengan semikonduktor daya berbasis silikon, semikonduktor daya SiC (silikon karbida) memiliki keunggulan signifikan dalam frekuensi peralihan, kehilangan, pembuangan panas, miniaturisasi, dll.
Dengan produksi inverter silikon karbida skala besar oleh Tesla, semakin banyak perusahaan yang mulai mendaratkan produk silikon karbida.
SiC sungguh “menakjubkan”, bagaimana cara membuatnya? Apa saja aplikasinya sekarang? Mari kita lihat!
01 ☆ Kelahiran SiC
Seperti semikonduktor daya lainnya, rantai industri SiC-MOSFET mencakupkristal panjang – substrat – epitaksi – desain – manufaktur – tautan pengemasan.
Kristal panjang
Selama sambungan kristal panjang, tidak seperti pembuatan metode Tira yang menggunakan silikon kristal tunggal, silikon karbida terutama mengadopsi metode transportasi gas fisik (PVT, juga dikenal sebagai metode sublimasi Lly atau kristal benih yang ditingkatkan), metode deposisi gas kimia suhu tinggi (HTCVD) ) suplemen.
☆ Langkah inti
1. Bahan baku padat karbonat;
2. Setelah pemanasan, padatan karbida menjadi gas;
3. Gas berpindah ke permukaan kristal benih;
4. Gas tumbuh di permukaan benih kristal menjadi kristal.
Sumber gambar: “Titik Teknis untuk membongkar silikon karbida pertumbuhan PVT”
Keahlian yang berbeda menyebabkan dua kelemahan utama dibandingkan dengan bahan dasar silikon:
Pertama, produksinya sulit dan hasilnya rendah.Suhu fase gas berbasis karbon tumbuh di atas 2300 °C dan tekanannya 350MPa. Seluruh kotak gelap dilakukan, dan mudah tercampur menjadi kotoran. Hasil lebih rendah dari basis silikon. Semakin besar diameternya, semakin rendah rendemennya.
Yang kedua adalah pertumbuhan yang lambat.Tata Kelola metode PVT sangat lambat, kecepatannya sekitar 0,3-0,5 mm/jam, dan dapat tumbuh 2cm dalam 7 hari. Maksimal hanya bisa tumbuh 3-5cm, dan diameter batangan kristal sebagian besar 4 inci dan 6 inci.
72H berbasis silikon dapat tumbuh hingga ketinggian 2-3m, dengan diameter sebagian besar 6 inci dan 8 inci, kapasitas produksi baru 12 inci.Oleh karena itu, silikon karbida sering disebut ingot kristal, dan silikon menjadi batang 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), diperoleh substrat silikon karbida.
Substrat terutama berperanperan dukungan fisik, konduktivitas termal dan konduktivitas.Kesulitan dalam pengolahannya adalah bahan silikon karbida memiliki sifat kimia yang tinggi, renyah, dan stabil. Oleh karena itu, metode pemrosesan tradisional berbasis silikon tidak cocok untuk substrat silikon karbida.
Kualitas efek pemotongan secara langsung mempengaruhi kinerja dan efisiensi pemanfaatan (biaya) produk silikon karbida, sehingga diperlukan ukuran yang kecil, ketebalan yang seragam, dan pemotongan yang 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 1mm.
Diagram skema pemotongan multi-garis
Di masa depan, seiring 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 cold cracking hanya kehilangan 1/8 bahan silikon karbida.
Perpanjangan
Karena bahan silikon karbida tidak dapat membuat perangkat listrik langsung pada substrat, diperlukan berbagai perangkat pada lapisan ekstensi.
Oleh karena itu, setelah produksi substrat selesai, film tipis kristal tunggal tertentu ditumbuhkan pada substrat melalui proses ekstensi.
Saat ini, proses metode deposisi gas kimia (CVD) banyak digunakan.
Desain
Setelah substrat dibuat, masuk ke tahap desain produk.
Untuk MOSFET, fokus dari proses desain adalah desain alur,di satu sisi untuk menghindari pelanggaran paten(Infineon, Rohm, ST, dll., memiliki tata letak paten), dan sebaliknyamemenuhi kemampuan manufaktur dan biaya produksi.
Pembuatan wafer
Setelah desain produk selesai, masuk ke tahap pembuatan wafer,dan prosesnya kira-kira mirip dengan silikon, yang pada dasarnya memiliki 5 langkah berikut.
☆Langkah 1: Suntikkan masker
Lapisan film silikon oksida (SiO2) dibuat, photoresist dilapisi, pola photoresist dibentuk melalui langkah-langkah homogenisasi, pemaparan, pengembangan, dll., dan gambar tersebut ditransfer ke film oksida melalui proses etsa.
☆Langkah 2: Implantasi ion
Wafer silikon karbida bertopeng ditempatkan ke dalam implanter ion, di mana ion aluminium disuntikkan untuk membentuk zona doping tipe-P, dan dianil untuk mengaktifkan ion aluminium yang ditanamkan.
Lapisan oksida dihilangkan, ion nitrogen disuntikkan ke wilayah tertentu dari wilayah doping tipe-P untuk membentuk wilayah konduktif tipe-N pada saluran dan sumber, dan ion nitrogen yang ditanamkan dianil untuk mengaktifkannya.
☆Langkah 3: Buat kisi-kisi
Buat kisi-kisinya. Di area antara sumber dan saluran pembuangan, lapisan oksida gerbang dibuat melalui proses oksidasi suhu tinggi, dan lapisan elektroda gerbang diendapkan untuk membentuk struktur kontrol gerbang.
☆Langkah 4: Membuat lapisan pasivasi
Lapisan pasivasi dibuat. Depositkan lapisan pasivasi dengan karakteristik insulasi yang baik untuk mencegah kerusakan antarelektroda.
☆Langkah 5: Buat elektroda sumber pembuangan
Buat saluran pembuangan dan sumber. Lapisan pasivasi dilubangi dan logam tergagap 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 dan anil ion perlu dilakukan di lingkungan bersuhu tinggi(hingga 1600 ° C), suhu tinggi akan mempengaruhi struktur kisi bahan itu sendiri, dan kesulitannya juga akan mempengaruhi hasil.
Selain itu, untuk komponen MOSFET,kualitas oksigen gerbang secara langsung mempengaruhi mobilitas saluran dan keandalan gerbang, karena terdapat dua macam atom silikon dan karbon pada bahan silikon karbida.
Oleh karena itu, diperlukan metode pertumbuhan media gerbang khusus (hal lainnya adalah lembaran silikon karbida transparan, dan penyelarasan posisi pada tahap fotolitografi sulit dilakukan pada silikon).
Setelah pembuatan wafer selesai, masing-masing chip dipotong menjadi chip kosong dan dapat dikemas sesuai dengan tujuannya. Proses umum untuk perangkat diskrit adalah paket TO.
MOSFET CoolSiC™ 650V dalam paket TO-247
Foto: Infineon
Bidang otomotif memiliki kebutuhan daya dan pembuangan panas yang tinggi, dan terkadang perlu membangun rangkaian jembatan secara langsung (setengah jembatan atau jembatan penuh, atau langsung dikemas dengan dioda).
Oleh karena itu, sering kali dikemas langsung ke dalam modul atau sistem. Menurut jumlah chip yang dikemas dalam satu modul, bentuk umumnya adalah 1 in 1 (BorgWarner), 6 in 1 (Infineon), dll., dan beberapa perusahaan menggunakan skema paralel tabung tunggal.
Borgwarner Viper
Mendukung pendinginan air dua sisi dan SiC-MOSFET
Modul MOSFET Infineon CoolSiC™
Berbeda dengan silikon,modul silikon karbida beroperasi pada suhu yang lebih tinggi, sekitar 200 ° C.
Suhu titik leleh suhu solder lunak tradisional rendah, tidak dapat memenuhi persyaratan suhu. Oleh karena itu, modul silikon karbida sering menggunakan proses pengelasan sintering perak suhu rendah.
Setelah modul selesai, dapat diterapkan pada sistem bagian.
Pengontrol motor Tesla Model3
Chip telanjang berasal dari ST, paket yang dikembangkan sendiri dan sistem penggerak listrik
☆02 Status aplikasi SiC?
Di bidang otomotif, perangkat listrik terutama digunakanDCDC, OBC, inverter motor, inverter AC listrik, pengisian nirkabel dan bagian lainnyayang memerlukan konversi cepat AC/DC (DCDC terutama bertindak sebagai saklar cepat).
Foto: BorgWarner
Dibandingkan dengan bahan berbasis silikon, bahan SIC memiliki sifat yang lebih tinggikekuatan medan kerusakan longsoran kritis(3×106V/cm),konduktivitas termal yang lebih baik(49W/mK) dankesenjangan pita yang lebih lebar(3.26eV).
Semakin lebar celah pitanya, semakin kecil arus bocornya dan semakin tinggi efisiensinya. Semakin baik konduktivitas termalnya, semakin tinggi rapat arusnya. Semakin kuat medan kerusakan longsoran kritis, resistansi tegangan perangkat dapat ditingkatkan.
Oleh karena itu, di bidang tegangan tinggi on-board, MOSFET dan SBD yang dibuat dari 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 switching.
Saat ini, kemungkinan besar penerapan skala besar akan tercapai pada motor inverter, 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 adalah SiC-MOSFET.
Perencanaan tingkat platform mencakupE-GMP modern, GM Otenergy – bidang pikap, Porsche PPE, dan Tesla EPA.Kecuali model platform PPE Porsche 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, Tiang Beiqi Versi Fox S HI, Mobil Ideal S01 dan W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 mengatakan akan mengusung platform 800V, selain BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen juga mengatakan teknologi 800V sedang diteliti.
Dari situasi pesanan 800V yang diperoleh pemasok Tier1,BorgWarner, Teknologi Wipai, ZF, United Electronics, dan Huichuansemua mengumumkan pesanan penggerak listrik 800V.
Platform tegangan 400V
Dalam platform tegangan 400V, SiC-MOSFET terutama mempertimbangkan daya tinggi dan kepadatan daya serta efisiensi tinggi.
Seperti motor Tesla Model 3\Y yang sudah diproduksi massal saat ini, tenaga puncak motor BYD Hanhou sekitar 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO juga akan menggunakan produk SiC-MOSFET mulai dari ET7 dan ET5 yang akan dicantumkan nanti. Daya puncaknya adalah 240Kw (ET5 210Kw).
Selain itu, dari perspektif efisiensi tinggi, beberapa perusahaan juga menjajaki kelayakan produk tambahan SiC-MOSFET.
Waktu posting: 08-Juli-2023
