სილიციუმის დაფუძნებულ სიმძლავრის ნახევარგამტარებთან შედარებით, SiC (სილიციუმის კარბიდი) სიმძლავრის ნახევარგამტარებს მნიშვნელოვანი უპირატესობები აქვთ გადართვის სიხშირის, დანაკარგის, სითბოს გაფრქვევის, მინიატურიზაციის და ა.შ. მხრივ.
Tesla-ს მიერ სილიციუმის კარბიდის ინვერტორების მასშტაბური წარმოების გამო, სულ უფრო მეტმა კომპანიამ დაიწყო სილიციუმის კარბიდის პროდუქციის შეძენა.
SiC იმდენად „გასაოცარია“, როგორ დამზადდა ის? ახლა რა გამოყენება აქვს? ვნახოთ!
01 ☆ SiC-ის დაბადება
სხვა სიმძლავრის ნახევარგამტარების მსგავსად, SiC-MOSFET ინდუსტრიული ჯაჭვი მოიცავსგრძელი კრისტალი - სუბსტრატი - ეპიტაქსია - დიზაინი - წარმოება - შეფუთვა - კავშირი.
გრძელი კრისტალი
გრძელი კრისტალური კავშირის დროს, ერთკრისტალური სილიციუმის მიერ გამოყენებული ტირას მეთოდისგან განსხვავებით, სილიციუმის კარბიდი ძირითადად იყენებს ფიზიკური აირის ტრანსპორტირების მეთოდს (PVT, ასევე ცნობილი როგორც გაუმჯობესებული Lly ან თესლის კრისტალის სუბლიმაციის მეთოდი) და მაღალტემპერატურულ ქიმიურ აირის დეპონირების მეთოდს (HTCVD) დამატებებს.
☆ ძირითადი ნაბიჯი
1. ნახშირბადის მყარი ნედლეული;
2. გაცხელების შემდეგ, კარბიდის მყარი ნივთიერება აირად იქცევა;
3. გაზის გადაადგილება თესლის კრისტალის ზედაპირზე;
4. გაზი თესლის კრისტალის ზედაპირზე იზრდება და კრისტალად გარდაიქმნება.
სურათის წყარო: „ტექნიკური პუნქტი PVT ზრდის სილიციუმის კარბიდის დაშლისთვის“
განსხვავებულმა ხელოსნობამ სილიკონის ბაზასთან შედარებით ორი ძირითადი ნაკლი გამოიწვია:
პირველ რიგში, წარმოება რთულია და მოსავლიანობა დაბალია.ნახშირბადზე დაფუძნებული აირისებრი ფაზის ტემპერატურა 2300°C-ზე მაღლა იწევს და წნევა 350MPa-ს შეადგენს. მთლიანად ბნელი ყუთია გამოტანილი და ადვილად ერწყმის მინარევებს. გამოსავლიანობა უფრო დაბალია, ვიდრე სილიციუმის ფუძესთან შედარებით. რაც უფრო დიდია დიამეტრი, მით უფრო დაბალია გამოსავლიანობა.
მეორე არის ნელი ზრდა.PVT მეთოდის მართვა ძალიან ნელია, სიჩქარე დაახლოებით 0.3-0.5 მმ/სთ-ია და 7 დღეში 2 სმ-ით იზრდება. მაქსიმუმ 3-5 სმ-ით იზრდება, ხოლო კრისტალური ზოდის დიამეტრი ძირითადად 4 და 6 ინჩია.
სილიკონზე დაფუძნებული 72H-ის სიმაღლე შეიძლება 2-3 მეტრს მიაღწიოს, დიამეტრი ძირითადად 6 ინჩია და წარმოების ახალი მოცულობა 8 ინჩია, ხოლო 12 ინჩის - 8 ინჩი.ამიტომ, სილიციუმის კარბიდს ხშირად ბროლის ზოდს უწოდებენ, ხოლო სილიციუმი ბროლის ჯოხად იქცევა.
კარბიდის სილიციუმის კრისტალური ზოდები
სუბსტრატი
გრძელი კრისტალის დასრულების შემდეგ, ის შედის სუბსტრატის წარმოების პროცესში.
მიზნობრივი ჭრის, დაფქვის (უხეში დაფქვა, წვრილი დაფქვა), გაპრიალების (მექანიკური გაპრიალება) და ულტრაზუსტი გაპრიალების (ქიმიური მექანიკური გაპრიალების) შემდეგ მიიღება სილიციუმის კარბიდის სუბსტრატი.
სუბსტრატი ძირითადად თამაშობსფიზიკური საყრდენის, თბოგამტარობისა და გამტარობის როლი.დამუშავების სირთულე იმაში მდგომარეობს, რომ სილიციუმის კარბიდის მასალა მაღალი შემცველობის, ხრაშუნა და ქიმიური თვისებებით სტაბილურია. ამიტომ, სილიციუმის კარბიდის სუბსტრატისთვის ტრადიციული სილიციუმზე დაფუძნებული დამუშავების მეთოდები არ არის შესაფერისი.
ჭრის ეფექტის ხარისხი პირდაპირ გავლენას ახდენს სილიციუმის კარბიდის პროდუქტების მუშაობასა და გამოყენების ეფექტურობაზე (ღირებულებაზე), ამიტომ საჭიროა მისი მცირე ზომა, ერთგვაროვანი სისქე და დაბალი ჭრა.
ამჟამად,4-ინჩიანი და 6-ინჩიანი ძირითადად იყენებს მრავალხაზიან ჭრის აღჭურვილობას,სილიციუმის კრისტალების დაჭრა თხელ ნაჭრებად, რომელთა სისქე არ აღემატება 1 მმ-ს.
მრავალხაზიანი ჭრის სქემატური დიაგრამა
მომავალში, კარბონიზებული სილიციუმის ვაფლების ზომის ზრდასთან ერთად, გაიზრდება მასალის გამოყენების მოთხოვნებიც და თანდათანობით გამოყენებული იქნება ისეთი ტექნოლოგიები, როგორიცაა ლაზერული დაჭრა და ცივი გამოყოფა.
2018 წელს Infineon-მა შეიძინა Siltectra GmbH, რომელმაც შეიმუშავა ინოვაციური პროცესი, რომელიც ცნობილია როგორც ცივი კრეკინგი.
ტრადიციულ მრავალმავთულიანი ჭრის პროცესთან შედარებით, დანაკარგი 1/4-ია,ცივი კრეკინგის პროცესით სილიციუმის კარბიდის მასალის მხოლოდ 1/8 დაიკარგა.
გაფართოება
რადგან სილიციუმის კარბიდის მასალას არ შეუძლია კვების მოწყობილობების პირდაპირ სუბსტრატზე დამზადება, გაფართოების ფენაზე სხვადასხვა მოწყობილობაა საჭირო.
ამიტომ, სუბსტრატის წარმოების დასრულების შემდეგ, გაფართოების პროცესის მეშვეობით სუბსტრატზე იზრდება სპეციფიკური მონოკრისტალური თხელი ფენა.
ამჟამად, ძირითადად გამოიყენება ქიმიური გაზის დეპონირების მეთოდი (CVD) პროცესი.
დიზაინი
სუბსტრატის დამზადების შემდეგ, ის პროდუქტის დიზაინის ეტაპზე გადადის.
MOSFET-ისთვის, დიზაინის პროცესის ფოკუსი ღარის დიზაინია,ერთი მხრივ, პატენტის დარღვევის თავიდან ასაცილებლად(Infineon-ს, Rohm-ს, ST-ს და ა.შ. აქვთ პატენტის განლაგება) და მეორეს მხრივდააკმაყოფილოს წარმოების შესაძლებლობები და ხარჯები.
ვაფლის დამზადება
პროდუქტის დიზაინის დასრულების შემდეგ, ის გადადის ვაფლის წარმოების ეტაპზე,და პროცესი დაახლოებით სილიკონის პროცესის მსგავსია, რომელიც ძირითადად შემდეგი 5 ეტაპისგან შედგება.
☆ნაბიჯი 1: ნიღბის ინექცია
მზადდება სილიციუმის ოქსიდის (SiO2) აპკის ფენა, იფარება ფოტორეზისტი, ჰომოგენიზაციის, ექსპოზიციის, განვითარების და ა.შ. ეტაპებით ყალიბდება ფოტორეზისტული ნიმუში და გრავირების პროცესის საშუალებით ფიგურა გადადის ოქსიდის აპკზე.
☆ნაბიჯი 2: იონური იმპლანტაცია
ნიღბიანი სილიციუმის კარბიდის ვაფლი თავსდება იონურ იმპლანტატორში, სადაც ალუმინის იონები შეჰყავთ P-ტიპის დოპინგის ზონის შესაქმნელად და გახურდებიან იმპლანტირებული ალუმინის იონების გასააქტიურებლად.
ოქსიდის აპკი იხსნება, აზოტის იონები შეჰყავთ P-ტიპის დოპირების რეგიონის სპეციფიკურ რეგიონში დრენაჟისა და წყაროს N-ტიპის გამტარი რეგიონის შესაქმნელად, ხოლო იმპლანტირებული აზოტის იონები გახურდება მათ გასააქტიურებლად.
☆ნაბიჯი 3: შექმენით ბადე
გააკეთეთ ბადე. წყაროსა და დრენაჟს შორის არსებულ არეში, მაღალტემპერატურული დაჟანგვის პროცესით მზადდება კარიბჭის ოქსიდის ფენა, ხოლო კარიბჭის ელექტროდის ფენა ილექება კარიბჭის მართვის სტრუქტურის შესაქმნელად.
☆ნაბიჯი 4: პასივაციის ფენების დამზადება
დამზადებულია პასივაციის ფენა. ელექტროდებს შორის დაზიანების თავიდან ასაცილებლად, დააფინეთ კარგი იზოლაციის მახასიათებლების მქონე პასივაციის ფენა.
☆ნაბიჯი 5: გააკეთეთ გადინების წყაროს ელექტროდები
გააკეთეთ დრენაჟი და წყარო. პასივაციის ფენა პერფორირებულია და ლითონი დაასხურება დრენაჟისა და წყაროს შესაქმნელად.
ფოტო წყარო: Xinxi Capital
მიუხედავად იმისა, რომ პროცესის დონესა და სილიკონზე დაფუძნებულს შორის მცირე განსხვავებაა, სილიციუმის კარბიდის მასალების მახასიათებლების გამო,იონური იმპლანტაცია და გახურება უნდა განხორციელდეს მაღალტემპერატურულ გარემოში(1600 ° C-მდე), მაღალი ტემპერატურა გავლენას მოახდენს თავად მასალის ბადისებრ სტრუქტურაზე, ხოლო სირთულე ასევე იმოქმედებს მოსავლიანობაზე.
გარდა ამისა, MOSFET კომპონენტებისთვის,კარიბჭის ჟანგბადის ხარისხი პირდაპირ გავლენას ახდენს არხის მობილურობასა და კარიბჭის საიმედოობაზე., რადგან სილიციუმის კარბიდის მასალაში ორი სახის სილიციუმის და ნახშირბადის ატომებია.
ამიტომ, საჭიროა სპეციალური კარიბჭის გარემოს ზრდის მეთოდი (კიდევ ერთი საკითხია, რომ სილიციუმის კარბიდის ფურცელი გამჭვირვალეა და ფოტოლიტოგრაფიის ეტაპზე პოზიციის გასწორება სილიკონისთვის რთულია).
ვაფლის წარმოების დასრულების შემდეგ, ინდივიდუალური ჩიპი იჭრება შიშველ ჩიპად და შეიძლება შეფუთული იყოს დანიშნულებისამებრ. დისკრეტული მოწყობილობებისთვის გავრცელებული პროცესია TO შეფუთვა.
650V CoolSiC™ MOSFET-ები TO-247 პაკეტში
ფოტო: ინფინეონი
საავტომობილო სფეროს მაღალი სიმძლავრისა და სითბოს გაფრქვევის მოთხოვნები აქვს და ზოგჯერ აუცილებელია ხიდის წრედების პირდაპირ აშენება (ნახევარი ხიდი ან სრული ხიდი, ან პირდაპირ დიოდებით შეფუთული).
ამიტომ, ის ხშირად პირდაპირ მოდულებში ან სისტემებშია შეფუთული. ერთ მოდულში შეფუთული ჩიპების რაოდენობის მიხედვით, გავრცელებული ფორმაა 1-1-ში (BorgWarner), 6-1-ში (Infineon) და ა.შ., ხოლო ზოგიერთი კომპანია იყენებს ერთმილიან პარალელურ სქემას.
ბორგვორნერის გველგესლა
მხარს უჭერს ორმხრივ წყლის გაგრილებას და SiC-MOSFET-ს
Infineon CoolSiC™ MOSFET მოდულები
სილიკონისგან განსხვავებით,სილიკონის კარბიდის მოდულები მუშაობენ უფრო მაღალ ტემპერატურაზე, დაახლოებით 200 ° C-ზე.
ტრადიციული რბილი შედუღების დნობის წერტილი დაბალია და ვერ აკმაყოფილებს ტემპერატურის მოთხოვნებს. ამიტომ, სილიციუმის კარბიდის მოდულები ხშირად იყენებენ დაბალი ტემპერატურის ვერცხლის შედუღების შედუღების პროცესს.
მოდულის დასრულების შემდეგ, მისი გამოყენება შესაძლებელია ნაწილების სისტემაზე.
Tesla Model3 ძრავის კონტროლერი
შიშველი ჩიპი მოდის ST-დან, თვითშემუშავებული პაკეტიდან და ელექტრო წამყვანი სისტემიდან.
☆02 SiC-ის განაცხადის სტატუსი?
საავტომობილო სფეროში, ელექტრომოწყობილობები ძირითადად გამოიყენებაDCDC, OBC, ძრავის ინვერტორები, ელექტრო კონდიციონერის ინვერტორები, უსადენო დამუხტვა და სხვა ნაწილებირომლებიც საჭიროებენ AC/DC სწრაფ კონვერტაციას (DCDC ძირითადად სწრაფი გადამრთველის ფუნქციას ასრულებს).
ფოტო: ბორგვორნერი
სილიკონზე დაფუძნებულ მასალებთან შედარებით, SIC მასალებს უფრო მაღალი აქვთკრიტიკული ზვავის ნგრევის ველის სიძლიერე(3×106 ვ/სმ),უკეთესი თბოგამტარობა(49W/mK) დაუფრო ფართო ზოლის უფსკრული(3.26 ევ).
რაც უფრო ფართოა ზონის უფსკრული, მით უფრო მცირეა გაჟონვის დენი და მით უფრო მაღალია ეფექტურობა. რაც უფრო უკეთესია თბოგამტარობა, მით უფრო მაღალია დენის სიმკვრივე. რაც უფრო ძლიერია კრიტიკული ზვავის რღვევის ველი, მით უფრო შესაძლებელია მოწყობილობის ძაბვის წინააღმდეგობის გაუმჯობესება.
ამრიგად, ბორტზე მაღალი ძაბვის სფეროში, სილიციუმის კარბიდის მასალებით მომზადებულ MOSFET-ებსა და SBD-ებს, რომლებიც სილიციუმის ბაზაზე დაფუძნებული IGBT და FRD კომბინაციის ჩასანაცვლებლად გამოიყენება, შეუძლიათ ეფექტურად გააუმჯობესონ სიმძლავრე და ეფექტურობა.განსაკუთრებით მაღალი სიხშირის გამოყენების სცენარებში გადართვის დანაკარგების შესამცირებლად.
ამჟამად, ყველაზე სავარაუდოა, რომ ფართომასშტაბიანი გამოყენება მიღწეული იქნება ძრავის ინვერტორებში, რასაც მოჰყვება OBC და DCDC.
800 ვოლტიანი ძაბვის პლატფორმა
800 ვოლტიან პლატფორმაზე მაღალი სიხშირის უპირატესობა საწარმოებს უფრო მეტად აიძულებს აირჩიონ SiC-MOSFET გადაწყვეტა. ამიტომ, მიმდინარე 800 ვოლტიანი ელექტრონული მართვის დაგეგმარების უმეტესობა SiC-MOSFET-ს იყენებს.
პლატფორმის დონის დაგეგმვა მოიცავსთანამედროვე E-GMP, GM Otenergy – პიკაპების ველი, Porsche PPE და Tesla EPA.Porsche PPE პლატფორმის მოდელების გარდა, რომლებიც აშკარად არ იყენებენ SiC-MOSFET-ს (პირველი მოდელი არის სილიციუმის ქლორიდზე დაფუძნებული IGBT), სხვა სატრანსპორტო საშუალებების პლატფორმები იყენებენ SiC-MOSFET სქემებს.
უნივერსალური ულტრა ენერგიის პლატფორმა
800V მოდელის დაგეგმვა უფრო მეტია,Great Wall Salon-ის ბრენდი Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI ვერსია, ideal car S01 და W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11-ის თქმით, ის 800 ვოლტიან პლატფორმას განახორციელებს, BYD-ის, Lantu-ს, GAC 'an-ის, Mercedes-Benz-ის, Zero Run-ის, FAW Red Flag-ის გარდა, Volkswagen-მა ასევე განაცხადა, რომ 800 ვოლტიან ტექნოლოგიას კვლევაში გამოიყენებს.
Tier1 მომწოდებლების მიერ მიღებული 800 ვოლტიანი შეკვეთების სიტუაციიდან გამომდინარე,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics და Huichuanყველა გამოცხადებული 800 ვოლტიანი ელექტროძრავის შეკვეთა.
400 ვოლტიანი ძაბვის პლატფორმა
400 ვოლტიან პლატფორმაზე, SiC-MOSFET ძირითადად მაღალი სიმძლავრისა და სიმკვრივის, ასევე მაღალი ეფექტურობის გათვალისწინებით არის განხილული.
მაგალითად, Tesla Model 3\Y ძრავის შემთხვევაში, რომელიც ამჟამად მასობრივად იწარმოება, BYD Hanhou ძრავის პიკური სიმძლავრე დაახლოებით 200 კვტ-ია (Tesla 202 კვტ, 194 კვტ, 220 კვტ, BYD 180 კვტ), NIO ასევე გამოიყენებს SiC-MOSFET პროდუქტებს ET7-დან და ET5-დან, რომლებიც მოგვიანებით იქნება ჩამოთვლილი. პიკური სიმძლავრე 240 კვტ-ია (ET5 210 კვტ).
გარდა ამისა, მაღალი ეფექტურობის პერსპექტივიდან, ზოგიერთი საწარმო ასევე იკვლევს დამხმარე დატბორვის SiC-MOSFET პროდუქტების მიზანშეწონილობას.
გამოქვეყნების დრო: 2023 წლის 8 ივლისი
