เมื่อเปรียบเทียบกับสารกึ่งตัวนำกำลังไฟฟ้าที่ใช้ซิลิกอนแล้ว สารกึ่งตัวนำกำลังไฟฟ้า SiC (ซิลิกอนคาร์ไบด์) จะมีข้อได้เปรียบที่สำคัญในเรื่องความถี่การสลับ การสูญเสีย การกระจายความร้อน การย่อส่วน ฯลฯ
ด้วยการผลิตอินเวอร์เตอร์ซิลิกอนคาร์ไบด์ในปริมาณมากโดย Tesla ทำให้บริษัทต่างๆ เริ่มผลิตผลิตภัณฑ์ซิลิกอนคาร์ไบด์เพิ่มมากขึ้น
SiC มัน "น่าทึ่ง" มาก มันผลิตขึ้นมาได้ยังไงเนี่ย? แล้วตอนนี้มีการใช้งานอะไรบ้าง? มาดูกัน!
01 ☆ กำเนิดของ SiC
เช่นเดียวกับเซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้าอื่นๆ ห่วงโซ่อุตสาหกรรม SiC-MOSFET ประกอบด้วยผลึกยาว – สารตั้งต้น – เอพิแทกซี – การออกแบบ – การผลิต – การเชื่อมโยงบรรจุภัณฑ์
คริสตัลยาว
ในระหว่างการเชื่อมโยงผลึกยาว ซึ่งแตกต่างจากการเตรียมวิธี Tira ที่ใช้โดยซิลิกอนผลึกเดี่ยว ซิลิกอนคาร์ไบด์ส่วนใหญ่ใช้วิธีการลำเลียงก๊าซทางกายภาพ (PVT หรือเรียกอีกอย่างว่า Lly ที่ปรับปรุงแล้วหรือวิธีการระเหิดผลึกเมล็ดพืช) วิธีการสะสมก๊าซทางเคมีที่อุณหภูมิสูง (HTCVD) เสริม
☆ ขั้นตอนหลัก
1. วัตถุดิบของแข็งคาร์บอนิก
2. หลังจากการให้ความร้อน คาร์ไบด์แข็งจะกลายเป็นก๊าซ
3. ก๊าซเคลื่อนที่ไปที่พื้นผิวของผลึกเมล็ดพันธุ์
4. ก๊าซเติบโตบนพื้นผิวของผลึกเมล็ดพืชจนกลายเป็นผลึก
ที่มาของภาพ: “จุดทางเทคนิคในการแยกชิ้นส่วนซิลิกอนคาร์ไบด์ที่เติบโตด้วย PVT”
งานฝีมือที่แตกต่างกันทำให้เกิดข้อเสียเปรียบหลักสองประการเมื่อเปรียบเทียบกับฐานซิลิกอน:
ประการแรก การผลิตทำได้ยากและผลผลิตก็ต่ำอุณหภูมิของเฟสก๊าซคาร์บอนสูงกว่า 2300 องศาเซลเซียส และความดัน 350 เมกะปาสคาล ดำเนินการในกล่องมืดทั้งหมด ทำให้ผสมเข้ากับสิ่งเจือปนได้ง่าย ผลผลิตต่ำกว่าฐานซิลิคอน ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ ผลผลิตก็ยิ่งต่ำ
ประการที่สองคือการเจริญเติบโตช้าการควบคุมของวิธี PVT นั้นช้ามาก ความเร็วอยู่ที่ประมาณ 0.3-0.5 มม./ชม. และสามารถขยายได้ 2 ซม. ภายใน 7 วัน สูงสุดที่ขยายได้คือ 3-5 ซม. และเส้นผ่านศูนย์กลางของแท่งคริสตัลส่วนใหญ่อยู่ที่ 4 นิ้ว และ 6 นิ้ว
72H ที่ใช้ซิลิกอนสามารถเติบโตได้สูง 2-3 เมตร โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางส่วนใหญ่ 6 นิ้ว และกำลังการผลิตใหม่ 8 นิ้วสำหรับ 12 นิ้วดังนั้นซิลิกอนคาร์ไบด์จึงมักถูกเรียกว่าแท่งคริสตัล และซิลิกอนก็จะกลายเป็นแท่งคริสตัล
แท่งคริสตัลซิลิคอนคาร์ไบด์
พื้นผิว
หลังจากที่คริสตัลยาวเสร็จสมบูรณ์แล้ว ก็จะเข้าสู่ขั้นตอนการผลิตของสารตั้งต้น
หลังจากการตัดแบบกำหนดเป้าหมาย การเจียร (การเจียรแบบหยาบ การเจียรแบบละเอียด) การขัด (การขัดด้วยกลไก) การขัดแบบแม่นยำพิเศษ (การขัดด้วยสารเคมีและกลไก) จะได้พื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์
พื้นผิวหลักเล่นบทบาทของการรองรับทางกายภาพ การนำความร้อน และการนำไฟฟ้าความยากในการแปรรูปคือวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์มีความแข็ง กรอบ และคุณสมบัติทางเคมีที่เสถียร ดังนั้น วิธีการแปรรูปแบบดั้งเดิมที่ใช้ซิลิกอนคาร์ไบด์จึงไม่เหมาะกับวัสดุตั้งต้นซิลิกอนคาร์ไบด์
คุณภาพของเอฟเฟกต์การตัดส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการทำงานและประสิทธิภาพการใช้งาน (ต้นทุน) ของผลิตภัณฑ์ซิลิกอนคาร์ไบด์ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีขนาดเล็ก ความหนาสม่ำเสมอ และการตัดต่ำ
ในปัจจุบันนี้ขนาด 4 นิ้ว และ 6 นิ้ว ส่วนใหญ่จะใช้เครื่องมือตัดหลายเส้นการตัดผลึกซิลิคอนให้เป็นแผ่นบางๆ ที่มีความหนาไม่เกิน 1 มม.
แผนผังการตัดหลายเส้น
ในอนาคต เมื่อขนาดของเวเฟอร์ซิลิกอนคาร์บอนเพิ่มขึ้น ความต้องการใช้วัสดุก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย และเทคโนโลยีต่างๆ เช่น การตัดด้วยเลเซอร์และการแยกแบบเย็นก็จะค่อยๆ ถูกนำมาใช้เช่นกัน
ในปี 2018 Infineon ได้เข้าซื้อกิจการ Siltectra GmbH ซึ่งพัฒนากระบวนการเชิงนวัตกรรมที่เรียกว่าการแตกแบบเย็น
เมื่อเทียบกับกระบวนการตัดลวดหลายเส้นแบบดั้งเดิม การสูญเสีย 1/4กระบวนการแตกร้าวแบบเย็นสูญเสียวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์เพียง 1/8 เท่านั้น
ส่วนขยาย
เนื่องจากวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์ไม่สามารถสร้างอุปกรณ์จ่ายไฟได้โดยตรงบนพื้นผิว จึงต้องมีอุปกรณ์ต่างๆ บนชั้นส่วนขยาย
ดังนั้น หลังจากการผลิตสารตั้งต้นเสร็จสมบูรณ์แล้ว ฟิล์มบางผลึกเดี่ยวเฉพาะจะถูกปลูกบนสารตั้งต้นผ่านกระบวนการขยาย
ในปัจจุบันใช้วิธีการสะสมก๊าซเคมี (CVD) เป็นหลัก
ออกแบบ
หลังจากสร้างพื้นผิวแล้วก็จะเข้าสู่ขั้นตอนการออกแบบผลิตภัณฑ์
สำหรับ MOSFET จุดเน้นของกระบวนการออกแบบคือการออกแบบร่องประการหนึ่งเพื่อหลีกเลี่ยงการละเมิดสิทธิบัตร(Infineon, Rohm, ST ฯลฯ มีรูปแบบสิทธิบัตร) และในทางกลับกันตอบสนองความสามารถในการผลิตและต้นทุนการผลิต
การผลิตเวเฟอร์
หลังจากการออกแบบผลิตภัณฑ์เสร็จสมบูรณ์แล้ว จะเข้าสู่ขั้นตอนการผลิตเวเฟอร์และกระบวนการก็คล้ายๆ กับซิลิกอน ซึ่งหลักๆ แล้วมี 5 ขั้นตอนดังนี้
☆ขั้นตอนที่ 1: ฉีดมาส์ก
มีการสร้างชั้นฟิล์มซิลิกอนออกไซด์ (SiO2) จากนั้นจึงเคลือบโฟโตเรซิสต์ จากนั้นจึงสร้างรูปแบบโฟโตเรซิสต์ผ่านขั้นตอนต่างๆ เช่น การทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน การเปิดรับแสง การพัฒนา ฯลฯ จากนั้นจึงถ่ายโอนรูปร่างไปยังฟิล์มออกไซด์ผ่านกระบวนการกัด
☆ขั้นตอนที่ 2: การฝังไอออน
เวเฟอร์ซิลิกอนคาร์ไบด์ที่ถูกปิดบังจะถูกวางลงในเครื่องปลูกถ่ายไอออน โดยที่ไอออนอะลูมิเนียมจะถูกฉีดเพื่อสร้างโซนการเจือปนชนิด P และผ่านการอบเพื่อเปิดใช้งานไอออนอะลูมิเนียมที่ปลูกถ่ายไว้
ฟิล์มออกไซด์จะถูกกำจัดออก ไอออนไนโตรเจนจะถูกฉีดเข้าไปในบริเวณเฉพาะของบริเวณการเจือปนชนิด P เพื่อสร้างบริเวณตัวนำชนิด N ของท่อระบายและแหล่งกำเนิด และไอออนไนโตรเจนที่ฝังไว้จะถูกอบอ่อนเพื่อเปิดใช้งาน
☆ขั้นตอนที่ 3: สร้างตาราง
สร้างกริด ในบริเวณระหว่างแหล่งกำเนิดและท่อระบายน้ำ ชั้นออกไซด์เกตจะถูกเตรียมโดยกระบวนการออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง และชั้นอิเล็กโทรดเกตจะถูกสะสมเพื่อสร้างโครงสร้างควบคุมเกต
☆ขั้นตอนที่ 4: การสร้างเลเยอร์พาสซีฟ
ได้สร้างชั้น Passivation ขึ้นมา เคลือบชั้น Passivation ที่มีคุณสมบัติเป็นฉนวนที่ดี เพื่อป้องกันการพังทลายของอิเล็กโทรดระหว่างขั้วไฟฟ้า
☆ขั้นตอนที่ 5: สร้างอิเล็กโทรดแบบเดรนซอร์ส
สร้างท่อระบายน้ำและแหล่งกำเนิด ชั้นพาสซีฟจะถูกเจาะและโลหะจะถูกสปัตเตอร์เพื่อสร้างท่อระบายน้ำและแหล่งกำเนิด
ที่มาของรูปภาพ: Xinxi Capital
แม้ว่าจะมีความแตกต่างเพียงเล็กน้อยระหว่างระดับกระบวนการและซิลิกอนตามลักษณะเฉพาะของวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์การฝังไอออนและการอบต้องดำเนินการในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง(สูงถึง 1,600 องศาเซลเซียส) อุณหภูมิสูงจะส่งผลต่อโครงสร้างตาข่ายของวัสดุเอง และความยากยังส่งผลต่อผลผลิตอีกด้วย
นอกจากนี้สำหรับส่วนประกอบ MOSFETคุณภาพของออกซิเจนที่ประตูส่งผลโดยตรงต่อการเคลื่อนที่ของช่องและความน่าเชื่อถือของประตูเนื่องจากมีอะตอมซิลิกอนและคาร์บอนอยู่ 2 ชนิดในวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์
ดังนั้นจึงต้องใช้วิธีการเจริญเติบโตของตัวกลางเกตพิเศษ (อีกประเด็นหนึ่งคือแผ่นซิลิกอนคาร์ไบด์มีความโปร่งใส และการจัดตำแหน่งในขั้นตอนการพิมพ์หินด้วยแสงนั้นทำได้ยากต่อซิลิกอน)
หลังจากการผลิตเวเฟอร์เสร็จสิ้น ชิปแต่ละชิ้นจะถูกตัดเป็นชิ้นเดียวและสามารถบรรจุหีบห่อได้ตามวัตถุประสงค์ กระบวนการทั่วไปสำหรับอุปกรณ์แบบแยกชิ้นคือการบรรจุแบบ TO
MOSFET CoolSiC™ 650V ในแพ็คเกจ TO-247
ภาพ: อินฟิเนียน
สาขายานยนต์มีความต้องการพลังงานและการระบายความร้อนสูง และบางครั้งจำเป็นต้องสร้างวงจรแบบบริดจ์โดยตรง (ฮาล์ฟบริดจ์หรือฟูลบริดจ์ หรือบรรจุโดยตรงด้วยไดโอด)
ดังนั้นจึงมักบรรจุลงในโมดูลหรือระบบโดยตรง รูปแบบทั่วไปคือ 1 ใน 1 (BorgWarner), 6 ใน 1 (Infineon) เป็นต้น ตามจำนวนชิปที่บรรจุในโมดูลเดียว และบางบริษัทใช้รูปแบบขนานแบบหลอดเดียว
บอร์กวาร์เนอร์ ไวเปอร์
รองรับระบบระบายความร้อนด้วยน้ำสองด้านและ SiC-MOSFET
โมดูล MOSFET CoolSiC™ ของ Infineon
ต่างจากซิลิกอนโมดูลซิลิกอนคาร์ไบด์ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าประมาณ 200 ° C
อุณหภูมิจุดหลอมเหลวของบัดกรีอ่อนแบบดั้งเดิมนั้นต่ำ ไม่สามารถตอบสนองความต้องการด้านอุณหภูมิได้ ดังนั้น โมดูลซิลิคอนคาร์ไบด์จึงมักใช้กระบวนการเชื่อมเงินหลอมที่อุณหภูมิต่ำ
หลังจากที่โมดูลเสร็จสมบูรณ์แล้ว ก็สามารถนำไปใช้กับระบบชิ้นส่วนได้
ตัวควบคุมมอเตอร์ Tesla Model3
ชิปเปล่ามาจาก ST แพ็คเกจที่พัฒนาเองและระบบขับเคลื่อนไฟฟ้า
☆02 สถานะการใช้งานของ SiC?
ในด้านยานยนต์ อุปกรณ์ไฟฟ้าส่วนใหญ่ใช้ในDCDC, OBC, อินเวอร์เตอร์มอเตอร์, อินเวอร์เตอร์เครื่องปรับอากาศไฟฟ้า, การชาร์จไร้สาย และชิ้นส่วนอื่นๆที่ต้องการการแปลง AC/DC อย่างรวดเร็ว (DCDC ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ด่วนเป็นหลัก)
ภาพถ่าย: BorgWarner
เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุที่ใช้ซิลิกอน วัสดุ SIC จะสูงกว่าความเข้มของสนามพังทลายจากหิมะถล่มวิกฤต(3×106โวลต์/ซม.)การนำความร้อนที่ดีขึ้น(49W/mK) และช่องว่างแบนด์ที่กว้างขึ้น(3.26eV)
ยิ่งช่องว่างแบนด์กว้างขึ้น กระแสรั่วไหลก็จะยิ่งน้อยลงและมีประสิทธิภาพสูงขึ้น ยิ่งมีค่าการนำความร้อนสูง ความหนาแน่นของกระแสก็จะยิ่งสูงขึ้น ยิ่งสนามวิกฤตถล่มถล่มมีความแข็งแรงมากเท่าไหร่ ความต้านทานแรงดันไฟฟ้าของอุปกรณ์ก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น
ดังนั้น ในด้านของแรงดันไฟฟ้าสูงบนบอร์ด MOSFET และ SBD ที่เตรียมด้วยวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์เพื่อทดแทน IGBT และ FRD ที่ใช้ซิลิกอนที่มีอยู่เดิมสามารถปรับปรุงพลังงานและประสิทธิภาพได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งในสถานการณ์การใช้งานความถี่สูงเพื่อลดการสูญเสียการสลับ
ในปัจจุบันมีแนวโน้มที่จะบรรลุการใช้งานในอินเวอร์เตอร์มอเตอร์ในระดับใหญ่ รองลงมาคือ OBC และ DCDC
แพลตฟอร์มแรงดันไฟฟ้า 800V
ในแพลตฟอร์มแรงดันไฟฟ้า 800V ข้อได้เปรียบของความถี่สูงทำให้องค์กรต่างๆ มีแนวโน้มที่จะเลือกใช้โซลูชัน SiC-MOSFET มากขึ้น ดังนั้น การวางแผนควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ 800V ในปัจจุบันส่วนใหญ่จึงใช้ SiC-MOSFET
การวางแผนระดับแพลตฟอร์มรวมถึงE-GMP สมัยใหม่, GM Otenergy – สนามบรรทุก, Porsche PPE และ Tesla EPAยกเว้นโมเดลแพลตฟอร์ม PPE ของ Porsche ที่ไม่ได้ติดตั้ง SiC-MOSFET ไว้อย่างชัดเจน (รุ่นแรกคือ IGBT ที่ใช้ซิลิกา) แพลตฟอร์มยานยนต์อื่นๆ จะนำรูปแบบ SiC-MOSFET มาใช้
แพลตฟอร์มพลังงานอัลตร้ายูนิเวอร์แซล
การวางแผนรุ่น 800V มีมากกว่าแบรนด์ Great Wall Salon Jiagirong, Beiqi pole รุ่น Fox S HI, รถยนต์ในอุดมคติ S01 และ W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11 กล่าวว่าจะใช้แพลตฟอร์ม 800V นอกเหนือจาก BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag แล้ว Volkswagen ยังกล่าวอีกว่าเทคโนโลยี 800V อยู่ในระหว่างการวิจัยอีกด้วย
จากสถานการณ์คำสั่งซื้อ 800V ที่ได้รับจากซัพพลายเออร์ Tier1BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics และ Huichuanประกาศคำสั่งซื้อระบบขับเคลื่อนไฟฟ้า 800V ทั้งหมด
แพลตฟอร์มแรงดันไฟฟ้า 400V
ในแพลตฟอร์มแรงดันไฟ 400V SiC-MOSFET คำนึงถึงพลังงานสูงและความหนาแน่นของพลังงานและประสิทธิภาพสูงเป็นหลัก
เช่นมอเตอร์ Tesla Model 3\Y ที่ผลิตจำนวนมากในปัจจุบัน มอเตอร์ BYD Hanhou มีกำลังสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 200 กิโลวัตต์ (Tesla 202 กิโลวัตต์, 194 กิโลวัตต์, 220 กิโลวัตต์, BYD 180 กิโลวัตต์) นอกจากนี้ NIO จะใช้ผลิตภัณฑ์ SiC-MOSFET เริ่มจาก ET7 และ ET5 ที่จะกล่าวถึงในภายหลัง กำลังสูงสุดอยู่ที่ 240 กิโลวัตต์ (ET5 210 กิโลวัตต์)
นอกจากนี้ จากมุมมองของประสิทธิภาพสูง บริษัทต่างๆ บางแห่งยังกำลังสำรวจความเป็นไปได้ของผลิตภัณฑ์ SiC-MOSFET แบบน้ำท่วมช่วยด้วย
เวลาโพสต์: 8 ก.ค. 2566
