Siliziozko potentzia-erdieroaleekin alderatuta, SiC (silizio karburo) potentzia-erdieroaleek abantaila nabarmenak dituzte kommutazio-maiztasunean, galeretan, bero-xahutzean, miniaturizazioan, etab.
Teslak silizio karburozko inbertsoreen ekoizpen handiari esker, enpresa gehiagok ere silizio karburozko produktuak saltzen hasi dira.
SiC hain da “harrigarria”, nola egin zen? Zein aplikazio ditu orain? Ikus dezagun!
01 ☆ SiC baten jaiotza
Beste potentzia erdieroaleen antzera, SiC-MOSFET industria-kateak honako hauek ditu barne:kristal luzea – substratua – epitaxia – diseinua – fabrikazioa – ontziratzea lotura.
Kristal luzea
Kristal luzeko loturan, silizio kristalin bakarreko Tira metodoaren prestaketa ez bezala, silizio karburoak batez ere gasaren garraio fisikoaren metodoa (PVT, Lly hobetua edo hazi kristalen sublimazio metodoa bezala ere ezagutzen dena) eta tenperatura altuko gasaren deposizio kimikoaren metodoa (HTCVD) erabiltzen ditu.
☆ Oinarrizko urratsa
1. Karboniko solido lehengaia;
2. Berotu ondoren, karburo solidoa gas bihurtzen da;
3. Gasa hazi-kristalaren gainazalera mugitzen da;
4. Gasa hazi-kristalaren gainazalean hazten da kristal bihurtuz.
Irudiaren iturria: “PVT hazkuntzako silizio karburoa desmuntatzeko puntu teknikoa”
Eskulangintza desberdinak bi desabantaila nagusi eragin ditu silikonazko oinarriarekin alderatuta:
Lehenik eta behin, ekoizpena zaila da eta etekina txikia.Karbono-oinarritutako gas-fasearen tenperatura 2300 °C-tik gora igotzen da eta presioa 350 MPa da. Kutxa ilun osoa eramaten da, eta erraz nahasten da ezpurutasunekin. Errendimendua silizio-oinarriarekin alderatuta txikiagoa da. Zenbat eta diametro handiagoa izan, orduan eta txikiagoa da errendimendua.
Bigarrena hazkunde motela da.PVT metodoaren gobernantza oso motela da, abiadura 0,3-0,5 mm/h ingurukoa da, eta 2 cm haz daiteke 7 egunetan. Gehienez 3-5 cm haz daiteke, eta kristal lingotearen diametroa gehienbat 4 hazbetekoa eta 6 hazbetekoa da.
Silizioan oinarritutako 72H-ak 2-3 metroko altuera izan dezake, gehienbat 6 hazbeteko diametroarekin eta 8 hazbeteko ekoizpen-ahalmen berriarekin 12 hazbeterako.Beraz, silizio karburoari kristal lingotea deitzen zaio askotan, eta silizioa kristal makila bihurtzen da.
Karburozko siliziozko kristalezko lingoteak
Substratua
Kristal luzea osatu ondoren, substratuaren ekoizpen prozesuan sartzen da.
Ebaketa zuzendua, artezketa (artezketa zakarra, artezketa fina), leuntzea (artezketa mekanikoa) eta ultra-zehaztasuneko leuntzea (artezketa kimiko-mekanikoa) egin ondoren, silizio karburozko substratua lortzen da.
Substratuak batez ere jokatzen dueuskarri fisikoaren, eroankortasun termikoaren eta eroankortasunaren eginkizuna.Prozesatzearen zailtasuna silizio karburo materiala altua, kurruskaria eta propietate kimikoetan egonkorra dela da. Beraz, silizioan oinarritutako prozesatzeko metodo tradizionalak ez dira egokiak silizio karburo substraturako.
Ebaketa-efektuaren kalitateak zuzenean eragiten dio silizio karburozko produktuen errendimenduari eta erabilera-eraginkortasunari (kostuari), beraz, txikia, lodiera uniformekoa eta ebaketa-maila baxua izan behar du.
Gaur egun,4 hazbeteko eta 6 hazbetekoek batez ere lerro anitzeko ebaketa-ekipoak erabiltzen dituzte,silizio kristalak 1 mm-ko lodiera baino gutxiagoko xerra finetan moztea.
Lerro anitzeko ebaketa-eskema diagrama
Etorkizunean, siliziozko obleak karbonizatuta handitzearekin batera, materialen erabilera-eskakizunen igoera handituko da, eta laser bidezko ebaketa eta bereizketa hotza bezalako teknologiak ere pixkanaka aplikatuko dira.
2018an, Infineonek Siltectra GmbH erosi zuen, eta honek cracking hotza izeneko prozesu berritzailea garatu zuen.
1/4ko galera duen ebaketa-prozesu tradizionalarekin alderatuta, hari anitzeko ebaketa-prozesuarekin alderatuta,silizio karburo materialaren 1/8 baino ez zuen galdu pitzadura hotzeko prozesuak.
Luzapena
Silizio karburo materialak ezin dituenez potentzia-gailuak zuzenean substratuan egin, hainbat gailu behar dira luzapen-geruzan.
Beraz, substratuaren ekoizpena amaitu ondoren, kristal bakarreko film mehe espezifiko bat hazten da substratuan luzapen prozesuaren bidez.
Gaur egun, batez ere gas kimikoen deposizio metodoa (CVD) erabiltzen da.
Diseinua
Substratua egin ondoren, produktuaren diseinu fasean sartzen da.
MOSFETentzat, diseinu-prozesuaren fokua ildoaren diseinua da,alde batetik patenteen urraketa saihesteko(Infineon, Rohm, ST, etab.-ek patenteen diseinua dute), eta bestetikfabrikazio-gaitasuna eta fabrikazio-kostuak betetzea.
Oblea fabrikazioa
Produktuaren diseinua amaitu ondoren, oblea fabrikatzeko fasera sartzen da,eta prozesua gutxi gorabehera silizioaren antzekoa da, eta honek batez ere 5 urrats hauek ditu.
☆1. urratsa: Maskara injektatu
Silizio oxidozko (SiO2) film geruza bat egiten da, fotoerresistentea estaltzen da, homogeneizazio, esposizio, errebelazio eta abarren bidez fotoerresistentearen eredua eratzen da, eta irudia oxido filmera transferitzen da grabatze prozesuaren bidez.
☆2. urratsa: Ioien inplantazioa
Silizio karburozko oblea maskaratuta ioi-inplantatzaile batean jartzen da, non aluminio ioiak injektatzen diren P motako dopatze-eremu bat osatzeko, eta txertatutako aluminio ioiak aktibatzeko erregosi egiten da.
Oxido-filma kentzen da, nitrogeno ioiak P motako dopatze-eskualdeko eskualde espezifiko batean injektatzen dira drainaren eta iturriaren N motako eroale-eskualde bat osatzeko, eta txertatutako nitrogeno ioiak erretzen dira aktibatzeko.
☆3. urratsa: Egin sareta
Egin sarea. Iturriaren eta hustubidearen arteko eremuan, atearen oxido geruza prestatzen da tenperatura altuko oxidazio prozesu baten bidez, eta atearen elektrodo geruza metatzen da atearen kontrol egitura osatzeko.
☆4. urratsa: Pasibazio geruzak egitea
Pasibazio geruza eginda dago. Elektrodoen arteko haustura saihesteko isolamendu ezaugarri onak dituen pasibazio geruza bat jarri.
☆5. urratsa: Egin hustubide-iturri elektrodoak
Egin hustubidea eta iturria. Pasibazio geruza zulatu egiten da eta metala ihinztatu egiten da hustubidea eta iturria osatzeko.
Argazki iturria: Xinxi Capital
Silizio karburo materialen ezaugarriengatik, prozesu-mailaren eta silizio-oinarritutakoaren artean alde txikia dagoen arren,Ioi inplantazioa eta errekuntza tenperatura altuko ingurune batean egin behar dira(1600 °C-ra arte), tenperatura altuak materialaren sare-egituran eragina izango du, eta zailtasunak ere etekinean eragingo du.
Gainera, MOSFET osagaietarako,Atearen oxigenoaren kalitateak zuzenean eragiten dio kanalaren mugikortasunari eta atearen fidagarritasunari, silizio karburo materialean bi motatako silizio eta karbono atomo daudelako.
Beraz, ate-euskarri hazkuntza-metodo berezi bat behar da (beste puntu bat da silizio karburozko xafla gardena dela, eta fotolitografia-fasean posizio-lerrokatzea zaila dela silizioarekin).
Oblearen fabrikazioa amaitu ondoren, txipa bakoitza txipa biluzi bihurtzen da eta helburuaren arabera ontziratu daiteke. Gailu diskretuetarako prozesu ohikoena TO ontziratzea da.
650V CoolSiC™ MOSFETak TO-247 paketean
Argazkia: Infineon
Automobilgintzaren arloak potentzia eta beroa xahutzeko behar handiak ditu, eta batzuetan beharrezkoa da zuzenean zubi zirkuituak eraikitzea (erdi zubia edo zubi osoa, edo zuzenean diodoekin paketatuta).
Beraz, askotan zuzenean moduluetan edo sistemetan ontziratzen da. Modulu bakar batean ontziratutako txip kopuruaren arabera, ohiko forma 1 in 1 (BorgWarner), 6 in 1 (Infineon), etab. da, eta enpresa batzuek hodi bakarreko eskema paraleloa erabiltzen dute.
Borgwarner Viper
Bi aldeetako ur-hoztea eta SiC-MOSFET onartzen ditu
Infineon CoolSiC™ MOSFET moduluak
Silizioa ez bezala,silizio karburozko moduluak tenperatura altuagoan funtzionatzen dute, 200 °C inguruan.
Soldadura bigun tradizionalaren urtze-puntua baxua da, eta ezin ditu tenperatura-eskakizunak bete. Horregatik, silizio karburozko moduluek askotan tenperatura baxuko zilarrezko sinterizazio soldadura-prozesua erabiltzen dute.
Modulua amaitu ondoren, piezen sisteman aplika daiteke.
Tesla Model 3 motor kontrolagailua
Txipa biluzik ST-tik dator, berak garatutako paketea eta sistema elektrikoa
☆02 SiC-ren aplikazioaren egoera?
Automobilgintzan, potentzia-gailuak batez ere erabiltzen diraDCDC, OBC, motor inbertsoreak, aire girotuko inbertsore elektrikoak, haririk gabeko kargatzea eta beste piezakAC/DC bihurketa azkarra behar dutenak (DCDC-k batez ere etengailu azkar gisa jokatzen du).
Argazkia: BorgWarner
Siliziozko materialekin alderatuta, SIC materialek dute edukiera handiagoa.elur-jausi kritikoaren haustura-eremuaren indarra(3×10⁶V/cm),eroankortasun termiko hobea(49W/mK) etabanda-tarte zabalagoa(3,26 eV).
Zenbat eta banda-tarte zabalagoa izan, orduan eta txikiagoa izango da ihes-korrontea eta orduan eta handiagoa izango da eraginkortasuna. Zenbat eta eroankortasun termiko hobea izan, orduan eta handiagoa izango da korronte-dentsitatea. Zenbat eta indartsuagoa izan elur-jausi kritikoaren haustura-eremua, orduan eta handiagoa izango da gailuaren tentsio-erresistentzia.
Beraz, ontziko goi-tentsioaren arloan, silizio karburozko materialez prestatutako MOSFET eta SBD-ek, siliziozko IGBT eta FRD konbinazio zaharrak ordezkatzeko, potentzia eta eraginkortasuna eraginkortasunez hobetu ditzakete.batez ere maiztasun handiko aplikazioen eszenatokietan kommutazio-galerak murrizteko.
Gaur egun, eskala handiko aplikazioak motor-inbertsoreetan lortzeko aukera gehien du, ondoren OBC eta DCDC datoz.
800V-ko tentsio plataforma
800V-ko tentsio-plataforman, maiztasun altuaren abantailak enpresek SiC-MOSFET soluzioa aukeratzera jotzen dute. Hori dela eta, egungo 800V-ko kontrol elektronikoaren plangintza gehiena SiC-MOSFET da.
Plataforma mailako plangintzak honako hauek barne hartzen ditu:E-GMP modernoa, GM Otenergy – pickup eremua, Porsche PPE eta Tesla EPA.Porsche PPE plataformako modeloak izan ezik, SiC-MOSFET espliziturik ez dutenak (lehenengo eredua silizean oinarritutako IGBT da), beste ibilgailu plataformek SiC-MOSFET eskemak erabiltzen dituzte.
Ultra energia plataforma unibertsala
800V-ko ereduaren plangintza gehiago da,Jiagirong Great Wall Salon markakoa, Beiqi pole Fox S HI bertsioa, S01 eta W01 auto idealak, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11-ek 800V-ko plataforma eramango duela esan du, BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag-ez gain, Volkswagen-ek ere 800V-ko teknologia ikerketan duela esan du.
Tier 1 hornitzaileek lortutako 800V-ko eskaeren egoeratik abiatuta,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics eta Huichuan800V-ko trakzio elektrikoen eskaera guztiak iragarri dituzte.
400V-ko tentsioko plataforma
400V-ko tentsio plataforman, SiC-MOSFET-ak potentzia eta potentzia-dentsitate handia eta eraginkortasun handia kontuan hartzen ditu batez ere.
Esaterako, orain seriean ekoizten den Tesla Model 3\Y motorra, BYD Hanhou motorraren potentzia maximoa 200 kW ingurukoa da (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW), NIOk ere SiC-MOSFET produktuak erabiliko ditu ET7tik hasita eta geroago zerrendatuko den ET5etik hasita. Potentzia maximoa 240 kW da (ET5 210 kW).
Gainera, eraginkortasun handiaren ikuspegitik, enpresa batzuek SiC-MOSFET produktuen uholde osagarrien bideragarritasuna ere aztertzen ari dira.
Argitaratze data: 2023ko uztailak 8
