So với chất bán dẫn công suất gốc silicon, chất bán dẫn công suất SiC (silicon carbide) có những ưu điểm đáng kể về tần số chuyển mạch, tổn thất, tản nhiệt, thu nhỏ, v.v.
Với việc Tesla sản xuất biến tần silicon carbide trên quy mô lớn, nhiều công ty khác cũng bắt đầu đưa sản phẩm silicon carbide ra thị trường.
SiC thật "tuyệt vời", nó được tạo ra như thế nào? Ứng dụng của nó ra sao? Cùng xem nhé!
01 ☆ Sự ra đời của SiC
Giống như các chất bán dẫn công suất khác, chuỗi công nghiệp SiC-MOSFET bao gồmliên kết tinh thể dài – chất nền – epitaxy – thiết kế – sản xuất – đóng gói.
Tinh thể dài
Trong quá trình liên kết tinh thể dài, không giống như quá trình chế tạo theo phương pháp Tira của silic đơn tinh thể, silic cacbua chủ yếu áp dụng phương pháp vận chuyển khí vật lý (PVT, còn gọi là phương pháp Lly cải tiến hoặc phương pháp thăng hoa tinh thể hạt giống), phương pháp lắng đọng khí hóa học ở nhiệt độ cao (HTCVD) bổ sung.
☆ Bước cốt lõi
1. Nguyên liệu rắn cacbonic;
2. Sau khi nung nóng, chất rắn cacbua trở thành khí;
3. Khí di chuyển đến bề mặt của tinh thể hạt giống;
4. Khí phát triển trên bề mặt của tinh thể hạt giống thành tinh thể.
Nguồn hình ảnh: “Điểm kỹ thuật để tháo rời silicon carbide tăng trưởng PVT”
Tay nghề thủ công khác nhau đã gây ra hai nhược điểm lớn so với đế silicon:
Đầu tiên, việc sản xuất khó khăn và năng suất thấp.Nhiệt độ của pha khí gốc cacbon tăng lên trên 2300°C và áp suất là 350MPa. Toàn bộ hộp tối được thực hiện, dễ bị lẫn tạp chất. Hiệu suất thấp hơn so với đế silic. Đường kính càng lớn, hiệu suất càng thấp.
Thứ hai là tăng trưởng chậm.Phương pháp PVT có tốc độ xử lý rất chậm, tốc độ khoảng 0,3-0,5mm/giờ, có thể phát triển 2cm trong 7 ngày. Tối đa chỉ có thể phát triển 3-5cm, đường kính thỏi tinh thể chủ yếu là 4 inch và 6 inch.
Cây 72H làm từ Silicon có thể cao tới 2-3m, với đường kính chủ yếu là 6 inch và 8 inch, công suất sản xuất mới là 12 inch.Do đó, silic cacbua thường được gọi là thỏi tinh thể, còn silic trở thành thanh tinh thể.
Thỏi tinh thể silicon cacbua
Chất nền
Sau khi tinh thể dài hoàn thành, nó sẽ đi vào quá trình sản xuất chất nền.
Sau khi cắt chính xác, mài (mài thô, mài mịn), đánh bóng (đánh bóng cơ học), đánh bóng siêu chính xác (đánh bóng cơ học hóa học), thu được đế silicon carbide.
Chất nền chủ yếu đóng vai tròvai trò của hỗ trợ vật lý, độ dẫn nhiệt và độ dẫn điện.Khó khăn trong quá trình gia công là vật liệu silicon carbide có tính chất hóa học cao, giòn và ổn định. Do đó, các phương pháp gia công truyền thống dựa trên silicon không phù hợp với vật liệu nền silicon carbide.
Chất lượng hiệu ứng cắt ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và hiệu quả sử dụng (chi phí) của sản phẩm silicon carbide, do đó yêu cầu sản phẩm phải nhỏ, độ dày đồng đều và ít bị cắt.
Hiện tại,4 inch và 6 inch chủ yếu sử dụng thiết bị cắt nhiều dòng,cắt tinh thể silicon thành những lát mỏng có độ dày không quá 1mm.
Sơ đồ cắt nhiều dòng
Trong tương lai, khi kích thước của tấm silicon cacbon hóa tăng lên, nhu cầu sử dụng vật liệu cũng sẽ tăng theo và các công nghệ như cắt laser và tách lạnh cũng sẽ dần được áp dụng.
Năm 2018, Infineon đã mua lại Siltectra GmbH, công ty đã phát triển một quy trình cải tiến được gọi là cracking lạnh.
So với quy trình cắt nhiều dây truyền thống, tổn thất là 1/4,quá trình nứt nguội chỉ làm mất 1/8 vật liệu silicon carbide.
Sự mở rộng
Vì vật liệu silicon carbide không thể tạo ra các thiết bị điện trực tiếp trên chất nền nên cần có nhiều thiết bị khác nhau trên lớp mở rộng.
Do đó, sau khi quá trình sản xuất chất nền hoàn tất, một lớp màng mỏng tinh thể đơn cụ thể sẽ được phát triển trên chất nền thông qua quá trình kéo dài.
Hiện nay, phương pháp lắng đọng khí hóa học (CVD) được sử dụng chủ yếu.
Thiết kế
Sau khi chất nền được tạo ra, nó sẽ bước vào giai đoạn thiết kế sản phẩm.
Đối với MOSFET, trọng tâm của quá trình thiết kế là thiết kế rãnh,một mặt để tránh vi phạm bằng sáng chế(Infineon, Rohm, ST, v.v., có bố cục bằng sáng chế), và mặt khácđáp ứng khả năng sản xuất và chi phí sản xuất.
Chế tạo wafer
Sau khi thiết kế sản phẩm hoàn tất, nó sẽ bước vào giai đoạn sản xuất wafer,và quá trình này gần giống với quá trình sản xuất silicon, chủ yếu gồm 5 bước sau.
☆Bước 1: Tiêm mặt nạ
Một lớp màng oxit silic (SiO2) được tạo ra, lớp cản quang được phủ lên, hoa văn cản quang được hình thành thông qua các bước đồng nhất hóa, phơi sáng, tráng phủ, v.v. và hình ảnh được chuyển sang màng oxit thông qua quá trình khắc.
☆Bước 2: Cấy ion
Tấm silicon carbide được che phủ được đặt vào bộ cấy ion, tại đó các ion nhôm được tiêm vào để tạo thành vùng pha tạp loại P và được ủ để kích hoạt các ion nhôm được cấy ghép.
Lớp màng oxit được loại bỏ, các ion nitơ được tiêm vào một vùng cụ thể của vùng pha tạp loại P để tạo thành vùng dẫn điện loại N của nguồn và thoát, và các ion nitơ được cấy ghép được ủ để kích hoạt chúng.
☆Bước 3: Tạo lưới
Tạo lưới. Tại khu vực giữa cực nguồn và cực thoát, lớp oxit cổng được chế tạo bằng quy trình oxy hóa ở nhiệt độ cao, và lớp điện cực cổng được lắng đọng để tạo thành cấu trúc điều khiển cổng.
☆Bước 4: Tạo lớp thụ động
Tạo lớp thụ động. Phủ một lớp thụ động có đặc tính cách điện tốt để ngăn ngừa sự cố đánh thủng giữa các điện cực.
☆Bước 5: Làm điện cực thoát-nguồn
Tạo rãnh thoát và rãnh nguồn. Lớp thụ động được đục lỗ và kim loại được phun để tạo thành rãnh thoát và rãnh nguồn.
Nguồn ảnh: Xinxi Capital
Mặc dù có rất ít sự khác biệt giữa cấp độ quy trình và dựa trên silicon, do đặc tính của vật liệu silicon carbide,cấy ion và ủ cần được thực hiện trong môi trường nhiệt độ cao(lên đến 1600 ° C), nhiệt độ cao sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu và độ khó cũng sẽ ảnh hưởng đến năng suất.
Ngoài ra, đối với các thành phần MOSFET,chất lượng oxy cổng ảnh hưởng trực tiếp đến tính di động của kênh và độ tin cậy của cổng, vì có hai loại nguyên tử silicon và carbon trong vật liệu silicon carbide.
Do đó, cần có phương pháp phát triển môi trường cổng đặc biệt (một điểm nữa là tấm silicon carbide trong suốt và việc căn chỉnh vị trí ở giai đoạn quang khắc rất khó khăn đối với silicon).
Sau khi hoàn tất quá trình sản xuất wafer, từng chip riêng lẻ được cắt thành chip trần và có thể được đóng gói theo mục đích sử dụng. Quy trình phổ biến cho các thiết bị rời rạc là đóng gói TO.
MOSFET CoolSiC™ 650V trong gói TO-247
Ảnh: Infineon
Lĩnh vực ô tô có yêu cầu về công suất và tản nhiệt cao, đôi khi cần phải xây dựng trực tiếp các mạch cầu (nửa cầu hoặc toàn cầu, hoặc đóng gói trực tiếp với điốt).
Do đó, nó thường được đóng gói trực tiếp vào các mô-đun hoặc hệ thống. Tùy theo số lượng chip được đóng gói trong một mô-đun, dạng phổ biến là 1 trong 1 (BorgWarner), 6 trong 1 (Infineon), v.v., và một số công ty sử dụng sơ đồ song song một ống.
Borgwarner Viper
Hỗ trợ làm mát bằng nước hai mặt và SiC-MOSFET
Mô-đun MOSFET Infineon CoolSiC™
Không giống như silicon,mô-đun silicon carbide hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, khoảng 200 ° C.
Nhiệt độ nóng chảy của mối hàn mềm truyền thống thấp, không đáp ứng được yêu cầu về nhiệt độ. Do đó, các mô-đun silicon carbide thường sử dụng quy trình hàn thiêu kết bạc ở nhiệt độ thấp.
Sau khi hoàn thành mô-đun, có thể áp dụng vào hệ thống linh kiện.
Bộ điều khiển động cơ Tesla Model3
Chip trần đến từ ST, gói tự phát triển và hệ thống truyền động điện
☆02 Tình trạng ứng dụng của SiC?
Trong lĩnh vực ô tô, các thiết bị điện chủ yếu được sử dụng trongDCDC, OBC, biến tần động cơ, biến tần điều hòa không khí điện, sạc không dây và các bộ phận khácyêu cầu chuyển đổi nhanh AC/DC (DCDC chủ yếu hoạt động như một công tắc nhanh).
Ảnh: BorgWarner
So với vật liệu gốc silicon, vật liệu SIC có độ bền cao hơncường độ trường phá vỡ tuyết lở quan trọng(3×106V/cm),độ dẫn nhiệt tốt hơn(49W/mK) vàkhoảng cách băng tần rộng hơn(3,26eV).
Khoảng cách dải càng rộng, dòng điện rò rỉ càng nhỏ và hiệu suất càng cao. Độ dẫn nhiệt càng tốt, mật độ dòng điện càng cao. Trường đánh thủng tuyết lở quan trọng càng mạnh, điện trở điện áp của thiết bị có thể được cải thiện.
Do đó, trong lĩnh vực điện áp cao trên bo mạch, MOSFET và SBD được chế tạo bằng vật liệu silicon carbide để thay thế sự kết hợp IGBT và FRD dựa trên silicon hiện có có thể cải thiện hiệu quả công suất và hiệu suất,đặc biệt là trong các tình huống ứng dụng tần số cao để giảm tổn thất khi chuyển mạch.
Hiện nay, công nghệ này có nhiều khả năng đạt được ứng dụng trên quy mô lớn trong biến tần động cơ, tiếp theo là OBC và DCDC.
Nền tảng điện áp 800V
Trong nền tảng điện áp 800V, ưu điểm về tần số cao khiến các doanh nghiệp có xu hướng lựa chọn giải pháp SiC-MOSFET nhiều hơn. Do đó, hầu hết các thiết kế điều khiển điện tử 800V hiện nay đều sử dụng SiC-MOSFET.
Lập kế hoạch cấp nền tảng bao gồmE-GMP hiện đại, GM Otenergy – lĩnh vực bán tải, Porsche PPE và Tesla EPA.Ngoại trừ các mẫu xe nền tảng Porsche PPE không trang bị SiC-MOSFET (mẫu xe đầu tiên là IGBT gốc silica), các nền tảng xe khác đều áp dụng sơ đồ SiC-MOSFET.
Nền tảng năng lượng Universal Ultra
Kế hoạch mô hình 800V nhiều hơn,Thương hiệu Great Wall Salon Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI phiên bản, xe lý tưởng S01 và W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11 cho biết sẽ mang nền tảng 800V, ngoài BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen cũng cho biết công nghệ 800V đang được nghiên cứu.
Từ tình hình các đơn hàng 800V nhận được từ các nhà cung cấp Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics và Huichuantất cả đều đã công bố đơn đặt hàng ổ điện 800V.
Nền tảng điện áp 400V
Ở nền tảng điện áp 400V, SiC-MOSFET chủ yếu được xem xét về công suất và mật độ công suất cao cũng như hiệu suất cao.
Chẳng hạn như động cơ Tesla Model 3\Y hiện đã được sản xuất hàng loạt, công suất cực đại của động cơ BYD Hanhou là khoảng 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO cũng sẽ sử dụng các sản phẩm SiC-MOSFET bắt đầu từ ET7 và ET5 sẽ được liệt kê sau. Công suất cực đại là 240Kw (ET5 210Kw).
Ngoài ra, xét về hiệu suất cao, một số doanh nghiệp cũng đang nghiên cứu tính khả thi của các sản phẩm SiC-MOSFET ngập nước phụ trợ.
Thời gian đăng: 08-07-2023
