ทำไม SiC ถึง “ศักดิ์สิทธิ์” ขนาดนี้?

เมื่อเปรียบเทียบกับเซมิคอนดักเตอร์กำลังที่ใช้ซิลิกอน เซมิคอนดักเตอร์กำลัง SiC (ซิลิคอนคาร์ไบด์) มีข้อได้เปรียบที่สำคัญในการสลับความถี่ การสูญเสีย การกระจายความร้อน การย่อขนาด ฯลฯ

ด้วยการผลิตอินเวอร์เตอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์จำนวนมากโดย Tesla ทำให้บริษัทต่างๆ จำนวนมากได้เริ่มลงมือผลิตผลิตภัณฑ์ซิลิกอนคาร์ไบด์

SiC นั้น “น่าทึ่ง” มาก มันถูกสร้างขึ้นมาได้อย่างไร? ตอนนี้มีรับสมัครอะไรบ้าง? มาดูกัน!

01 ☆ กำเนิด SiC

เช่นเดียวกับพาวเวอร์เซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ ห่วงโซ่อุตสาหกรรม SiC-MOSFET ก็รวมอยู่ด้วยคริสตัลแบบยาว – สารตั้งต้น – เยื่อบุผิว – การออกแบบ – การผลิต – ลิงค์บรรจุภัณฑ์ 

คริสตัลยาว

ในระหว่างการเชื่อมโยงคริสตัลแบบยาว ซึ่งแตกต่างจากการเตรียมวิธี Tira ที่ใช้โดยซิลิคอนผลึกเดี่ยว ซิลิคอนคาร์ไบด์ส่วนใหญ่ใช้วิธีการขนส่งก๊าซทางกายภาพ (PVT หรือที่เรียกว่า Lly ที่ได้รับการปรับปรุงหรือวิธีการระเหิดคริสตัลเมล็ด) วิธีการสะสมก๊าซเคมีอุณหภูมิสูง ( HTCVD ) อาหารเสริม

☆ ขั้นตอนหลัก

1. วัตถุดิบที่เป็นของแข็งคาร์บอนิก

2. หลังจากให้ความร้อน ของแข็งคาร์ไบด์จะกลายเป็นก๊าซ

3. ก๊าซเคลื่อนที่ไปที่พื้นผิวของผลึกเมล็ด

4. ก๊าซเติบโตบนพื้นผิวของผลึกเมล็ดเป็นผลึก

แหล่งที่มาของรูปภาพ: “จุดทางเทคนิคในการแยกชิ้นส่วนซิลิคอนคาร์ไบด์การเจริญเติบโตของ PVT”

งานฝีมือที่แตกต่างกันทำให้เกิดข้อเสียเปรียบที่สำคัญสองประการเมื่อเปรียบเทียบกับฐานซิลิโคน:

ประการแรก การผลิตเป็นเรื่องยากและผลผลิตต่ำอุณหภูมิของเฟสก๊าซที่มีคาร์บอนเติบโตสูงกว่า 2300 ° C และความดันอยู่ที่ 350MPa ดำเนินการกล่องมืดทั้งหมดและง่ายต่อการผสมเข้ากับสิ่งสกปรก ผลผลิตต่ำกว่าฐานซิลิกอน ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่เท่าไรผลผลิตก็จะยิ่งต่ำลง

ประการที่สองคือการเติบโตช้าการกำกับดูแลวิธี PVT ช้ามาก ความเร็วประมาณ 0.3-0.5 มม./ชม. และสามารถขยายได้ 2 ซม. ใน 7 วัน สูงสุดสามารถเติบโตได้เพียง 3-5 ซม. และเส้นผ่านศูนย์กลางของแท่งคริสตัลส่วนใหญ่คือ 4 นิ้วและ 6 นิ้ว

72H ที่ใช้ซิลิคอนสามารถเติบโตได้สูง 2-3 เมตร โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางส่วนใหญ่ 6 นิ้ว และกำลังการผลิตใหม่ 8 นิ้วสำหรับ 12 นิ้วดังนั้นซิลิคอนคาร์ไบด์จึงมักเรียกว่าแท่งคริสตัล และซิลิคอนจะกลายเป็นแท่งคริสตัล

แท่งคริสตัลคาร์ไบด์ซิลิคอน

พื้นผิว

หลังจากคริสตัลแบบยาวเสร็จสิ้น จะเข้าสู่กระบวนการผลิตของซับสเตรต

หลังจากการตัดตามเป้าหมาย การเจียร (การเจียรหยาบ การเจียรแบบละเอียด) การขัด (การขัดด้วยกลไก) การขัดที่มีความแม่นยำสูงเป็นพิเศษ (การขัดด้วยกลไกทางเคมี) จะได้พื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์

วัสดุพิมพ์ส่วนใหญ่จะเล่นบทบาทของการสนับสนุนทางกายภาพ การนำความร้อน และการนำไฟฟ้าความยากในการประมวลผลคือวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์มีคุณสมบัติทางเคมีสูง กรอบ และเสถียร ดังนั้นวิธีการประมวลผลแบบซิลิคอนแบบดั้งเดิมจึงไม่เหมาะสำหรับซับสเตรตของซิลิคอนคาร์ไบด์

คุณภาพของเอฟเฟกต์การตัดส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพและประสิทธิภาพการใช้งาน (ต้นทุน) ของผลิตภัณฑ์ซิลิกอนคาร์ไบด์ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีขนาดเล็ก มีความหนาสม่ำเสมอ และการตัดต่ำ

ในปัจจุบัน4 นิ้วและ 6 นิ้วส่วนใหญ่ใช้อุปกรณ์ตัดแบบหลายบรรทัดตัดคริสตัลซิลิคอนเป็นชิ้นบาง ๆ โดยมีความหนาไม่เกิน 1 มม.

แผนผังการตัดแบบหลายบรรทัด

ในอนาคต เมื่อขนาดของเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์บอนเพิ่มขึ้น ความต้องการใช้วัสดุที่เพิ่มขึ้นก็จะเพิ่มขึ้น และเทคโนโลยีต่างๆ เช่น การตัดด้วยเลเซอร์และการแยกความเย็นก็จะค่อยๆ ถูกนำไปใช้เช่นกัน

ในปี 2018 Infineon ได้เข้าซื้อกิจการ Siltectra GmbH ซึ่งพัฒนากระบวนการที่เป็นนวัตกรรมใหม่ที่เรียกว่าการแคร็กเย็น

เมื่อเทียบกับการสูญเสียกระบวนการตัดหลายลวดแบบดั้งเดิมที่ 1/4กระบวนการแคร็กเย็นสูญเสียวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์เพียง 1/8 เท่านั้น

ส่วนขยาย

เนื่องจากวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์ไม่สามารถสร้างอุปกรณ์ไฟฟ้าได้โดยตรงบนซับสเตรต จึงจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ต่างๆ บนชั้นส่วนขยาย

ดังนั้น หลังจากการผลิตซับสเตรตเสร็จสิ้น ฟิล์มบางผลึกเดี่ยวจะเติบโตบนซับสเตรตโดยผ่านกระบวนการขยาย

ปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้กระบวนการตกตะกอนของก๊าซเคมี (CVD)

ออกแบบ

หลังจากสร้างวัสดุพิมพ์แล้ว จะเข้าสู่ขั้นตอนการออกแบบผลิตภัณฑ์

สำหรับ MOSFET จุดเน้นของกระบวนการออกแบบคือการออกแบบร่องในด้านหนึ่งเพื่อหลีกเลี่ยงการละเมิดสิทธิบัตร(Infineon, Rohm, ST ฯลฯ มีรูปแบบสิทธิบัตร) และในทางกลับกันตรงตามความสามารถในการผลิตและต้นทุนการผลิต

การผลิตเวเฟอร์

หลังจากการออกแบบผลิตภัณฑ์เสร็จสิ้น จะเข้าสู่ขั้นตอนการผลิตแผ่นเวเฟอร์และมีกระบวนการประมาณเดียวกับซิลิคอนซึ่งมีขั้นตอนหลักๆ อยู่ 5 ขั้นตอนดังนี้

☆ขั้นตอนที่ 1: ฉีดมาส์ก

ชั้นของฟิล์มซิลิกอนออกไซด์ (SiO2) ถูกสร้างขึ้น สารไวแสงจะถูกเคลือบ รูปแบบไวแสงจะเกิดขึ้นผ่านขั้นตอนของการทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน การเปิดรับแสง การพัฒนา ฯลฯ และตัวเลขจะถูกถ่ายโอนไปยังฟิล์มออกไซด์ผ่านกระบวนการแกะสลัก

☆ขั้นตอนที่ 2: การฝังไอออน

แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ปิดบังจะถูกใส่เข้าไปในเครื่องฝังไอออน โดยที่ไอออนของอะลูมิเนียมจะถูกฉีดเพื่อสร้างโซนการเติมสารประเภท P และอบอ่อนเพื่อกระตุ้นการทำงานของไอออนของอะลูมิเนียมที่ฝังไว้

ฟิล์มออกไซด์จะถูกเอาออก ไอออนไนโตรเจนจะถูกฉีดเข้าไปในบริเวณเฉพาะของบริเวณที่ใช้สารต้องห้ามประเภท P เพื่อสร้างบริเวณที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าประเภท N ของท่อระบายน้ำและแหล่งกำเนิด และไอออนไนโตรเจนที่ฝังไว้จะถูกอบอ่อนเพื่อกระตุ้นพวกมัน

☆ขั้นตอนที่ 3: สร้างตาราง

ทำตาราง. ในพื้นที่ระหว่างแหล่งกำเนิดและท่อระบายน้ำ ชั้นเกตออกไซด์จะถูกเตรียมโดยกระบวนการออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง และชั้นอิเล็กโทรดเกตจะถูกสะสมเพื่อสร้างโครงสร้างควบคุมเกต

☆ขั้นตอนที่ 4: สร้างชั้นทู่

มีการทำชั้นทู่ ฝากชั้นทู่ที่มีลักษณะเป็นฉนวนที่ดีเพื่อป้องกันการพังทลายของอินเตอร์อิเล็กโทรด

☆ขั้นตอนที่ 5: สร้างอิเล็กโทรดแหล่งกำเนิดท่อระบายน้ำ

ทำท่อระบายน้ำและแหล่งกำเนิด ชั้นฟิล์มกรองแสงมีรูพรุนและสปัตเตอร์โลหะเพื่อสร้างท่อระบายน้ำและแหล่งกำเนิด

ที่มาของรูปภาพ: Xinxi Capital

แม้ว่าระดับกระบวนการและระดับซิลิคอนจะมีความแตกต่างกันเล็กน้อย เนื่องจากลักษณะของวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์การฝังและการหลอมไอออนจะต้องดำเนินการในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง(สูงถึง 1,600 ° C) อุณหภูมิสูงจะส่งผลต่อโครงสร้างขัดแตะของวัสดุเอง และความยากก็จะส่งผลต่อผลผลิตด้วย

นอกจากนี้ สำหรับส่วนประกอบ MOSFETคุณภาพของออกซิเจนเกตส่งผลโดยตรงต่อการเคลื่อนที่ของช่องสัญญาณและความน่าเชื่อถือของเกตเนื่องจากมีอะตอมของซิลิคอนและคาร์บอนอยู่สองชนิดในวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์

ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้วิธีการเจริญเติบโตปานกลางของเกทแบบพิเศษ (อีกจุดหนึ่งคือแผ่นซิลิกอนคาร์ไบด์มีความโปร่งใส และการจัดตำแหน่งที่ขั้นตอนการพิมพ์หินด้วยแสงนั้นยากต่อซิลิคอน)

หลังจากการผลิตแผ่นเวเฟอร์เสร็จสิ้น ชิปแต่ละตัวจะถูกตัดเป็นชิปเปล่าและสามารถบรรจุได้ตามวัตถุประสงค์ กระบวนการทั่วไปสำหรับอุปกรณ์แยกคือแพ็คเกจ TO

MOSFET CoolSiC™ 650V ในแพ็คเกจ TO-247

ภาพถ่าย: “Infineon”

สาขายานยนต์มีข้อกำหนดด้านพลังงานและการกระจายความร้อนสูง และบางครั้งจำเป็นต้องสร้างวงจรบริดจ์โดยตรง (ฮาล์ฟบริดจ์หรือฟูลบริดจ์ หรือบรรจุด้วยไดโอดโดยตรง)

ดังนั้นจึงมักถูกบรรจุลงในโมดูลหรือระบบโดยตรง ตามจำนวนชิปที่บรรจุในโมดูลเดียว รูปแบบทั่วไปคือ 1 ใน 1 (BorgWarner), 6 ใน 1 (Infineon) ฯลฯ และบางบริษัทใช้รูปแบบขนานแบบท่อเดียว

บอร์กวาร์เนอร์ ไวเปอร์

รองรับการระบายความร้อนด้วยน้ำสองด้านและ SiC-MOSFET

โมดูล MOSFET CoolSiC™ ของ Infineon

ต่างจากซิลิกอนโมดูลซิลิกอนคาร์ไบด์ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าประมาณ 200 ° C

อุณหภูมิจุดหลอมเหลวของอุณหภูมิจุดหลอมเหลวแบบอ่อนแบบดั้งเดิมอยู่ในระดับต่ำไม่สามารถตอบสนองความต้องการด้านอุณหภูมิได้ ดังนั้นโมดูลซิลิกอนคาร์ไบด์จึงมักใช้กระบวนการเชื่อมซินเทอร์เงินที่อุณหภูมิต่ำ

หลังจากโมดูลเสร็จสิ้นก็สามารถนำไปใช้กับระบบชิ้นส่วนได้

ตัวควบคุมมอเตอร์เทสลา Model3

ชิปเปลือยมาจาก ST ซึ่งเป็นแพ็คเกจที่พัฒนาขึ้นเองและระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า

☆02 สถานะการสมัคร SiC?

ในด้านยานยนต์ อุปกรณ์ไฟฟ้าส่วนใหญ่จะใช้มาDCDC, OBC, มอเตอร์อินเวอร์เตอร์, อินเวอร์เตอร์เครื่องปรับอากาศไฟฟ้า, การชาร์จแบบไร้สาย และชิ้นส่วนอื่นๆที่ต้องการการแปลง AC/DC อย่างรวดเร็ว (DCDC ทำหน้าที่เป็นสวิตช์เร็วเป็นหลัก)

ภาพ: บอร์กวอร์เนอร์

เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุที่ใช้ซิลิกอน วัสดุ SIC จะมีค่าสูงกว่าความแรงของสนามพังทลายของหิมะถล่มที่สำคัญ(3×106V/ซม.)การนำความร้อนที่ดีขึ้น(49W/mK) และช่องว่างวงกว้างขึ้น(3.26eV)

ยิ่งช่องว่างของแถบความถี่กว้างขึ้น กระแสไฟฟ้ารั่วก็จะน้อยลงและประสิทธิภาพก็จะสูงขึ้นตามไปด้วย ยิ่งการนำความร้อนดีขึ้นเท่าใด ความหนาแน่นกระแสก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ยิ่งสนามพังทลายของหิมะถล่มที่สำคัญแข็งแกร่งเท่าใด ความต้านทานแรงดันไฟฟ้าของอุปกรณ์ก็จะดีขึ้นได้

ดังนั้น ในด้านไฟฟ้าแรงสูงออนบอร์ด MOSFET และ SBD ที่เตรียมโดยวัสดุซิลิคอนคาร์ไบด์เพื่อทดแทนการรวม IGBT และ FRD ที่ใช้ซิลิคอนที่มีอยู่สามารถปรับปรุงพลังงานและประสิทธิภาพได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งในสถานการณ์การใช้งานที่มีความถี่สูงเพื่อลดการสูญเสียการสลับ

ในปัจจุบัน มีแนวโน้มที่จะประสบความสำเร็จในการใช้งานขนาดใหญ่ในมอเตอร์อินเวอร์เตอร์ รองลงมาคือ OBC และ DCDC

แพลตฟอร์มแรงดันไฟฟ้า 800V

ในแพลตฟอร์มแรงดันไฟฟ้า 800V ข้อดีของความถี่สูงทำให้องค์กรต่างๆ มีแนวโน้มที่จะเลือกโซลูชัน SiC-MOSFET มากขึ้น ดังนั้นส่วนใหญ่ในปัจจุบันจะมีการวางแผนควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ 800V SiC-MOSFET

การวางแผนระดับแพลตฟอร์มประกอบด้วยE-GMP, GM Otenergy สมัยใหม่ – สนามปิคอัพ, Porsche PPE และ Tesla EPAยกเว้นรุ่นแพลตฟอร์ม PPE ของ Porsche ที่ไม่มี SiC-MOSFET อย่างชัดเจน (รุ่นแรกคือ IGBT ที่ใช้ซิลิกา) แพลตฟอร์มยานพาหนะอื่นๆ ใช้โครงร่าง SiC-MOSFET

แพลตฟอร์มพลังงานสากลอัลตร้า

การวางแผนโมเดล 800V นั้นมากกว่าแบรนด์ Great Wall Salon Jiagirong, เสา Beiqi รุ่น Fox S HI, รถในอุดมคติ S01 และ W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11 กล่าวว่าจะมีแพลตฟอร์ม 800V นอกเหนือจาก BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen ยังกล่าวอีกว่าเทคโนโลยี 800V ในการวิจัย

จากสถานการณ์คำสั่งซื้อ 800V ที่ได้รับจากซัพพลายเออร์ระดับ Tier1BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics และ Huichuanประกาศคำสั่งซื้อระบบขับเคลื่อนไฟฟ้า 800V ทั้งหมด

แพลตฟอร์มแรงดันไฟฟ้า 400V

ในแพลตฟอร์มแรงดันไฟฟ้า 400V นั้น SiC-MOSFET คำนึงถึงพลังงานสูงและความหนาแน่นของพลังงานเป็นหลัก และมีประสิทธิภาพสูง

เช่นมอเตอร์ Tesla Model 3\Y ที่ผลิตจำนวนมากในขณะนี้ กำลังสูงสุดของมอเตอร์ BYD Hanhou อยู่ที่ประมาณ 200Kw (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw) NIO จะใช้ผลิตภัณฑ์ SiC-MOSFET โดยเริ่มจาก ET7 ด้วย และ ET5 ที่จะนำมาแสดงในภายหลัง กำลังสูงสุด 240Kw (ET5 210Kw)

นอกจากนี้ จากมุมมองของประสิทธิภาพสูง บางองค์กรยังสำรวจความเป็นไปได้ของผลิตภัณฑ์ SiC-MOSFET เสริมสำหรับน้ำท่วมอีกด้วย