So với chất bán dẫn điện dựa trên silicon, chất bán dẫn điện SiC (silicon cacbua) có lợi thế đáng kể trong việc chuyển đổi tần số, tổn thất, tản nhiệt, thu nhỏ, v.v.
Với việc Tesla sản xuất bộ biến tần cacbua silic trên quy mô lớn, nhiều công ty cũng đã bắt đầu sản xuất các sản phẩm cacbua silic.
SiC thật “tuyệt vời”, nó được tạo ra như thế nào?Các ứng dụng bây giờ là gì?Hãy xem nào!
01 ☆ Sự ra đời của SiC
Giống như các chất bán dẫn điện khác, chuỗi công nghiệp SiC-MOSFET bao gồmliên kết tinh thể dài – chất nền – epitaxy – thiết kế – sản xuất – đóng gói.
pha lê dài
Trong quá trình liên kết tinh thể dài, không giống như việc điều chế phương pháp Tira được sử dụng bởi silicon đơn tinh thể, cacbua silic chủ yếu áp dụng phương pháp vận chuyển khí vật lý (PVT, còn được gọi là phương pháp thăng hoa tinh thể Lly hoặc hạt giống cải tiến), phương pháp lắng đọng khí hóa học ở nhiệt độ cao ( HTCVD ) chất 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 lên bề mặt tinh thể hạt;
4. Khí phát triển trên bề mặt tinh thể hạt thành tinh thể.
Nguồn ảnh: “Điểm kỹ thuật để tháo rời cacbua silic tăng trưởng PVT”
Sự khéo léo khác nhau đã gây ra hai nhược điểm lớn so với đế silicon:
Thứ nhất, sản xuất khó khăn, năng suất thấp.Nhiệt độ của pha khí dựa trên carbon tăng lên trên 2300 ° C và áp suất là 350MPa.Toàn bộ hộp tối được thực hiện và rất dễ trộn vào tạp chất.Năng suất thấp hơn so với cơ sở silicon.Đường kính càng lớn thì năng suất càng thấp.
Thứ hai là tăng trưởng chậm.Khả năng quản trị của phương pháp PVT rất chậm, tốc độ khoảng 0,3-0,5mm/h và có thể phát triển 2cm trong 7 ngày.Tối đa chỉ có thể phát triển 3-5cm, và đường kính của thỏi pha lê chủ yếu là 4 inch và 6 inch.
72H dựa trên Silicon có thể phát triển lên độ cao 2-3m, với đường kính chủ yếu là 6 inch và công suất sản xuất mới 8 inch cho 12 inch.Do đó, cacbua silic thường được gọi là thỏi pha lê và silicon trở thành một thanh pha lê.
Thỏi tinh thể silicon cacbua
Cơ chất
Sau khi tinh thể dài được hoàn thành, nó sẽ bước vào quá trình sản xuất chất nền.
Sau khi cắt mục tiêu, mài (mài thô, mài mịn), đánh bóng (đánh bóng cơ học), đánh bóng siêu chính xác (đánh bóng cơ học hóa học), thu được chất nền cacbua silic.
Chất nền chủ yếu đóng vai tròvai trò hỗ trợ vật lý, dẫn nhiệt và dẫn điện.Khó khăn trong quá trình chế biến là vật liệu cacbua silic cao, giòn và ổn định về tính chất hóa học.Do đó, các phương pháp xử lý dựa trên silicon truyền thống không phù hợp với chất nền cacbua silic.
Chất lượng của hiệu ứng cắt ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và hiệu quả sử dụng (chi phí) của các sản phẩm cacbua silic nên yêu cầu phải nhỏ, độ dày đồng đều và khả năng cắt thấp.
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 đường
Trong tương lai, với sự gia tăng kích thước của tấm silicon cacbon hóa, yêu cầu sử dụng vật liệu sẽ tăng lên và các công nghệ như cắt laser và tách lạnh cũng sẽ dần được áp dụng.
Năm 2018, Infineon mua lại Siltectra GmbH, công ty đã phát triển một quy trình cải tiến được gọi là crackinh nguội.
So với tổn thất quá trình cắt nhiều dây truyền thống là 1/4,quá trình crackinh nguội chỉ mất 1/8 vật liệu cacbua silic.
Sự mở rộng
Vì vật liệu cacbua silic không thể tạo ra các thiết bị cấp nguồn trực tiếp trên đế 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 màng mỏng đơn tinh thể cụ thể sẽ được phát triển trên chất nền thông qua quá trình kéo dài.
Hiện nay, quy trình lắng đọng khí hóa học (CVD) chủ yếu được sử dụng.
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 được khả năng sản xuất và chi phí sản xuất.
Chế tạo wafer
Sau khi thiết kế sản phẩm hoàn thành, nó bước vào giai đoạn sản xuất wafer,và quy trình này gần giống với quy trình của silicon, chủ yếu có 5 bước sau.
☆Bước 1: Tiêm mặt nạ
Một lớp màng oxit silic (SiO2) được tạo ra, chất quang dẫn được phủ, mẫu chất quang dẫn được hình thành thông qua các bước đồng nhất, phơi sáng, phát triển, v.v., và hình vẽ được chuyển sang màng oxit thông qua quá trình ăn mòn.
☆Bước 2: Cấy ion
Tấm wafer silicon cacbua được che chắn được đặt vào một thiết bị cấy ion, tại đó các ion nhôm được bơm vào để tạo thành vùng pha tạp loại P và được ủ để kích hoạt các ion nhôm được cấy ghép.
Màng oxit được loại bỏ, các ion nitơ được bơm vào một vùng cụ thể của vùng pha tạp loại P để tạo thành vùng dẫn điện loại N của cống và nguồn, và các ion nitơ được cấy vào được ủ để kích hoạt chúng.
☆Bước 3: Tạo lưới
Làm lưới.Ở khu vực giữa nguồn và cống, lớp oxit cổng được điều chế bằng quá 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
Lớp thụ động được thực hiện.Đặt một lớp thụ động có đặc tính cách điện tốt để ngăn ngừa sự cố giữa các điện cực.
☆Bước 5: Làm điện cực nguồn thoát nước
Làm cống và nguồn.Lớp thụ động được đục lỗ và kim loại được phún xạ để tạo thành cống và nguồn.
Nguồn ảnh: Xinxi Capital
Mặc dù có rất ít sự khác biệt giữa mức độ xử lý và dựa trên silicon, do đặc tính của vật liệu cacbua silic,Việc cấy và ủ ion cần được thực hiện trong môi trường nhiệt độ cao(lên tới 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 linh kiện MOSFET,chất lượng của oxy cổng ảnh hưởng trực tiếp đến tính di động của kênh và độ tin cậy của cổng, bởi vì có hai loại nguyên tử silicon và carbon trong vật liệu cacbua silic.
Do đó, cần phải có một phương pháp tăng trưởng môi trường cổng đặc biệt (một điểm nữa là tấm cacbua silic trong suốt và việc căn chỉnh vị trí ở giai đoạn quang khắc rất khó để silic).
Sau khi quá trình sản xuất wafer hoàn tất, chip riêng lẻ được cắt thành chip trần và có thể được đóng gói theo mục đích.Quy trình chung cho các thiết bị rời rạc là đóng gói TO.
MOSFET 650V CoolSiC™ 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 bằng điốt).
Vì vậy, nó thường được đóng gói trực tiếp thành các module hoặc hệ thống.Theo số lượng chip được đóng gói trong một mô-đun duy nhất, 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.
Viper Borgwarner
Hỗ trợ tản nhiệt nước hai mặt và SiC-MOSFET
Mô-đun MOSFET Infineon CoolSiC™
Không giống như silicon,mô-đun cacbua silic hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, khoảng 200°C.
Nhiệt độ nóng chảy của nhiệt độ hàn mềm truyền thống thấp, không thể đáp ứng yêu cầu về nhiệt độ.Vì vậy, các mô-đun cacbua silic thường sử dụng quy trình hàn thiêu kết bạc ở nhiệt độ thấp.
Sau khi mô-đun hoàn thành, nó có thể được áp dụng cho hệ thống các bộ phận.
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 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 ưu điểm cao hơncường độ trường sự cố tuyết lở nghiêm trọng(3×106V/cm2),dẫn nhiệt tốt hơn(49W/mK) vàkhoảng cách băng tần rộng hơn(3,26eV).
Khoảng cách dải càng rộng thì dòng rò càng nhỏ và hiệu suất càng cao.Độ dẫn nhiệt càng tốt thì mật độ dòng điện càng cao.Trường sự cố tuyết lở nghiêm trọng càng mạnh thì điện trở 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 cacbua silic để thay thế tổ hợp IGBT và FRD dựa trên silicon hiện có có thể cải thiện hiệu suất và năng lượng một cách hiệu quả,đặc biệt là trong các kịch bản ứng dụng tần số cao để giảm tổn thất chuyển mạch.
Hiện tại, nó có nhiều khả năng đạt được các ứng dụng quy mô lớn trong bộ biến tần động cơ, tiếp theo là OBC và DCDC.
Bệ điện áp 800V
Ở nền điện áp 800V, lợi thế về tần số cao khiến doanh nghiệp có xu hướng lựa chọn giải pháp SiC-MOSFET hơn.Vì vậy, hầu hết các quy hoạch điều khiển điện tử 800V hiện nay đều có 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 nền tảng PPE của Porsche không mang SiC-MOSFET (mẫu đầu tiên là IGBT dựa trên silica), các nền tảng xe khác áp dụng sơ đồ SiC-MOSFET.
Nền tảng năng lượng siêu phổ quát
Quy hoạch mô hình 800V là nhiều hơn,thương hiệu Great Wall Salon Jiagirong, phiên bản Beiqi pole Fox S HI, xe lý tưởng S01 và W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 cho biết họ 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 đơn hàng 800V của các nhà cung cấp Cấp 1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics và Huichuanđều công bố đơn hàng truyền động điện 800V.
Bệ điện áp 400V
Trong nền tảng điện áp 400V, SiC-MOSFET chủ yếu tập trung vào việc xem xét 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, từ góc độ hiệu quả cao, một số doanh nghiệp cũng đang khám phá tính khả thi của việc làm ngập các sản phẩm SiC-MOSFET phụ trợ.
Thời gian đăng: Jul-08-2023