بالمقارنة مع أشباه الموصلات الكهربائية القائمة على السيليكون، فإن أشباه الموصلات الكهربائية المصنوعة من كربيد السيليكون تتمتع بمزايا كبيرة في تبديل التردد، والخسارة، وتبديد الحرارة، والتصغير، وما إلى ذلك.
مع الإنتاج الواسع النطاق لمحولات كربيد السيليكون التي تنتجها شركة تسلا، بدأت المزيد من الشركات أيضًا في الحصول على منتجات كربيد السيليكون.
كربيد السيليكون مذهلٌ حقًا، كيف صُنع؟ ما هي تطبيقاته الآن؟ لنرَ!
01 ☆ ولادة SiC
مثل أشباه الموصلات الكهربائية الأخرى، تشمل سلسلة صناعة SiC-MOSFETالرابط الطويل البلوري – الركيزة – التراكب – التصميم – التصنيع – التعبئة والتغليف.
بلورة طويلة
أثناء الارتباط البلوري الطويل، على عكس طريقة تيرا المستخدمة في تحضير السيليكون البلوري الفردي، يعتمد كربيد السيليكون بشكل أساسي على طريقة نقل الغاز الفيزيائي (PVT، المعروفة أيضًا باسم طريقة التسامي البلوري المحسن أو طريقة البذور)، ومكملات طريقة ترسيب الغاز الكيميائي في درجة حرارة عالية (HTCVD).
☆ خطوة أساسية
1. المواد الخام الصلبة الكربونية؛
2. بعد التسخين، يتحول الكربيد الصلب إلى غاز؛
3. ينتقل الغاز إلى سطح بلورة البذرة؛
4. ينمو الغاز على سطح بلورة البذرة ليشكل بلورة.
مصدر الصورة: "نقطة تقنية لتفكيك كربيد السيليكون لنمو PVT"
لقد تسببت الصناعة المختلفة في حدوث عيبين رئيسيين مقارنة بقاعدة السيليكون:
أولا، الإنتاج صعب والعائد منخفض.تتجاوز درجة حرارة الطور الغازي الكربوني ٢٣٠٠ درجة مئوية، ويبلغ الضغط ٣٥٠ ميجا باسكال. يُنفَّذ الصندوق المظلم بالكامل، ويسهل خلطه بالشوائب. العائد أقل من العائد في قاعدة السيليكون. كلما زاد القطر، انخفض العائد.
الثاني هو النمو البطيء.طريقة التحكم في PVT بطيئة جدًا، حيث تتراوح سرعتها بين 0.3 و0.5 مم/ساعة، ويمكن أن تنمو بمقدار 2 سم في 7 أيام. الحد الأقصى للنمو هو 3-5 سم فقط، ويبلغ قطر السبيكة البلورية في الغالب 4 و6 بوصات.
يمكن أن ينمو 72H المعتمد على السيليكون إلى ارتفاع يتراوح بين 2 إلى 3 أمتار، مع أقطار تصل في الغالب إلى 6 بوصات و8 بوصات، وقدرة إنتاجية جديدة تصل إلى 12 بوصة.لذلك، غالبًا ما يُطلق على كربيد السيليكون اسم سبيكة الكريستال، ويصبح السيليكون عبارة عن عصا بلورية.
سبائك بلورات السيليكون الكربيدية
الركيزة
بعد اكتمال البلورة الطويلة، تدخل في عملية إنتاج الركيزة.
بعد القطع المستهدف، والطحن (الطحن الخشن، والطحن الناعم)، والتلميع (التلميع الميكانيكي)، والتلميع فائق الدقة (التلميع الميكانيكي الكيميائي)، يتم الحصول على ركيزة كربيد السيليكون.
تلعب الركيزة بشكل رئيسيدور الدعم المادي والتوصيل الحراري والتوصيل.تكمن صعوبة المعالجة في أن مادة كربيد السيليكون عالية الجودة، ومقرمشة، وثابتة في خواصها الكيميائية. لذلك، لا تُناسب طرق المعالجة التقليدية القائمة على السيليكون ركائز كربيد السيليكون.
إن جودة تأثير القطع تؤثر بشكل مباشر على أداء وكفاءة استخدام (تكلفة) منتجات كربيد السيليكون، لذلك يجب أن تكون صغيرة، وسمكها موحدًا، وقطعها منخفضًا.
في الوقت الحالي،4 بوصة و 6 بوصة تستخدم بشكل أساسي معدات القطع متعددة الخطوط،تقطيع بلورات السيليكون إلى شرائح رقيقة لا يزيد سمكها عن 1 مم.
مخطط تخطيطي للقطع متعدد الخطوط
في المستقبل، مع زيادة حجم رقائق السيليكون المتفحمة، ستزداد متطلبات استخدام المواد، وسيتم أيضًا تطبيق تقنيات مثل التقطيع بالليزر والفصل البارد تدريجيًا.
في عام 2018، استحوذت شركة Infineon على شركة Siltectra GmbH، التي طورت عملية مبتكرة تُعرف باسم التكسير البارد.
بالمقارنة مع خسارة عملية القطع التقليدية متعددة الأسلاك بمقدار 1/4،لقد فقدت عملية التكسير البارد 1/8 فقط من مادة كربيد السيليكون.
امتداد
نظرًا لأن مادة كربيد السيليكون لا يمكنها تصنيع أجهزة طاقة مباشرة على الركيزة، فإن هناك حاجة إلى أجهزة مختلفة على طبقة التمديد.
لذلك، بعد اكتمال إنتاج الركيزة، يتم تنمية طبقة رقيقة محددة من البلورات المفردة على الركيزة من خلال عملية التمديد.
في الوقت الحاضر، يتم استخدام عملية الترسيب الكيميائي للغاز (CVD) بشكل أساسي.
تصميم
بعد تصنيع الركيزة، تدخل مرحلة تصميم المنتج.
بالنسبة لـ MOSFET، فإن التركيز في عملية التصميم هو تصميم الأخدود،من ناحية أخرى لتجنب انتهاك براءات الاختراع(Infineon وRohm وST وما إلى ذلك، لديها تصميم براءة اختراع)، ومن ناحية أخرىتلبية تكاليف التصنيع والتصنيع.
تصنيع الرقاقات
بعد الانتهاء من تصميم المنتج، يدخل مرحلة تصنيع الرقاقة،وتتشابه هذه العملية تقريبًا مع عملية السيليكون، والتي تتكون بشكل أساسي من الخطوات الخمس التالية.
☆الخطوة 1: حقن القناع
يتم تصنيع طبقة من فيلم أكسيد السيليكون (SiO2)، ويتم طلاء المقاومة الضوئية، ويتم تشكيل نمط المقاومة الضوئية من خلال خطوات التجانس والتعرض والتطوير وما إلى ذلك، ويتم نقل الشكل إلى فيلم الأكسيد من خلال عملية النقش.
☆الخطوة 2: زرع الأيونات
يتم وضع رقاقة كربيد السيليكون المقنعة في مزروع أيوني، حيث يتم حقن أيونات الألومنيوم لتشكيل منطقة تشويب من النوع P، ويتم تسخينها لتنشيط أيونات الألومنيوم المزروعة.
يتم إزالة فيلم الأكسيد، ويتم حقن أيونات النيتروجين في منطقة محددة من منطقة التنشيط من النوع P لتشكيل منطقة موصلة من النوع N للصرف والمصدر، ويتم تلدين أيونات النيتروجين المزروعة لتنشيطها.
☆الخطوة 3: اصنع الشبكة
اصنع الشبكة. في المنطقة بين المصدر والمصرف، تُحضّر طبقة أكسيد البوابة بأكسدة عالية الحرارة، وتُرسّب طبقة قطب البوابة لتشكيل هيكل التحكم في البوابة.
☆الخطوة 4: صنع طبقات التخميل
تم تركيب طبقة التخميل. رُصِّب طبقة تخميل ذات خصائص عزل جيدة لمنع انهيار الأقطاب الكهربائية.
☆الخطوة 5: اصنع أقطاب مصدر الصرف
اصنع مصرفًا ومصدرًا. تُثقب طبقة التخميل، ويُرش المعدن لتشكيل مصرف ومصدر.
مصدر الصورة: شينشي كابيتال
على الرغم من وجود اختلاف بسيط بين مستوى العملية والمواد القائمة على السيليكون، بسبب خصائص مواد كربيد السيليكون،يجب أن تتم عملية زرع الأيونات والتلدين في بيئة ذات درجة حرارة عالية(حتى 1600 درجة مئوية)، ستؤثر درجة الحرارة المرتفعة على البنية الشبكية للمادة نفسها، كما ستؤثر الصعوبة أيضًا على العائد.
بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة لمكونات MOSFET،تؤثر جودة أكسجين البوابة بشكل مباشر على حركة القناة وموثوقية البوابة، لأن هناك نوعين من ذرات السيليكون والكربون في مادة كربيد السيليكون.
لذلك، هناك حاجة إلى طريقة خاصة لنمو وسط البوابة (نقطة أخرى هي أن صفائح كربيد السيليكون شفافة، ومن الصعب محاذاة الموضع في مرحلة الطباعة الضوئية بواسطة السيليكون).
بعد اكتمال تصنيع الرقاقة، تُقطع كل رقاقة على حدة إلى رقاقة عادية، ويمكن تعبئتها حسب الغرض. العملية الشائعة للأجهزة المنفصلة هي التغليف بالطرق التقليدية (TO).
MOSFETs CoolSiC™ 650 فولت في عبوة TO-247
الصورة: إنفينيون
يتطلب مجال السيارات طاقة عالية وتبديدًا للحرارة، وفي بعض الأحيان يكون من الضروري بناء دوائر جسر مباشرة (نصف جسر أو جسر كامل، أو تعبئتها مباشرة باستخدام الثنائيات).
لذلك، غالبًا ما تُعبأ مباشرةً في وحدات أو أنظمة. وحسب عدد الرقائق المُعبأة في وحدة واحدة، يكون الشكل الشائع هو 1 في 1 (BorgWarner)، أو 6 في 1 (Infineon)، وهكذا، وتستخدم بعض الشركات نظام توصيل متوازي أحادي الأنبوب.
بورغوارنر فايبر
يدعم تبريد الماء على الوجهين و SiC-MOSFET
وحدات Infineon CoolSiC™ MOSFET
على عكس السيليكون،تعمل وحدات كربيد السيليكون في درجة حرارة أعلى، حوالي 200 درجة مئوية.
درجة حرارة انصهار اللحام الناعم التقليدي منخفضة، ولا تلبي متطلبات درجة الحرارة. لذلك، غالبًا ما تستخدم وحدات كربيد السيليكون عملية لحام التلبيد الفضي منخفض الحرارة.
بعد اكتمال الوحدة، يمكن تطبيقها على نظام الأجزاء.
وحدة تحكم محرك Tesla Model3
تأتي الشريحة العارية من ST، وهي حزمة تم تطويرها ذاتيًا ونظام دفع كهربائي
☆02 حالة تطبيق SiC؟
في مجال السيارات، تُستخدم أجهزة الطاقة بشكل أساسي فيDCDC، OBC، محولات المحرك، محولات تكييف الهواء الكهربائية، الشحن اللاسلكي وأجزاء أخرىالتي تتطلب تحويل سريع من التيار المتردد إلى التيار المستمر (يعمل DCDC بشكل أساسي كمفتاح سريع).
الصورة: بورغوارنر
بالمقارنة مع المواد القائمة على السيليكون، فإن مواد SIC لها خصائص أعلىقوة مجال انهيار الانهيار الجليدي الحرج(3×106 فولت/سم)،توصيل حراري أفضل(49 واط/م ك) وفجوة نطاق أوسع(3.26 إلكترون فولت).
كلما اتسعت فجوة النطاق، قلّ تيار التسرب وزادت الكفاءة. وكلما كانت الموصلية الحرارية أفضل، زادت كثافة التيار. وكلما كان مجال انهيار الانهيار الحرج أقوى، أمكن تحسين مقاومة جهد الجهاز.
لذلك، في مجال الجهد العالي الموجود على متن الطائرة، يمكن لـ MOSFETs و SBD المحضرة بمواد كربيد السيليكون لتحل محل مجموعة IGBT و FRD القائمة على السيليكون الحالية تحسين الطاقة والكفاءة بشكل فعال،وخاصة في سيناريوهات التطبيقات ذات التردد العالي لتقليل خسائر التبديل.
في الوقت الحاضر، من المرجح أن يحقق تطبيقات واسعة النطاق في محولات المحرك، تليها OBC وDCDC.
منصة جهد 800 فولت
في منصة جهد 800 فولت، تُشجع ميزة التردد العالي الشركات على اختيار حلول SiC-MOSFET. لذلك، تعتمد معظم خطط التحكم الإلكتروني الحالية بجهد 800 فولت على SiC-MOSFET.
يتضمن التخطيط على مستوى المنصةE-GMP الحديثة، وGM Otenergy – مجال التقاط السيارات، وPorsche PPE، وTesla EPA.باستثناء نماذج منصة Porsche PPE التي لا تحمل SiC-MOSFET صراحةً (النموذج الأول هو IGBT يعتمد على السيليكا)، تعتمد منصات المركبات الأخرى مخططات SiC-MOSFET.
منصة الطاقة العالمية الفائقة
تخطيط نموذج 800 فولت هو أكثر من ذلك،ماركة صالون سور الصين العظيم Jiagirong، نسخة Beiqi pole Fox S HI، السيارة المثالية S01 وW01، Xiaopeng G9، BMW NK1وقالت شركة شانجان أفيتا E11 إنها ستحمل منصة 800V، بالإضافة إلى BYD، و Lantu، و GAC 'an، و Mercedes-Benz، و Zero Run، و FAW Red Flag، وقالت فولكس فاجن أيضًا أن تقنية 800V قيد البحث.
من حالة طلبات 800 فولت التي حصل عليها موردو المستوى الأول،بورغ وارنر، وويباي تكنولوجي، وزد إف، ويونايتد إلكترونيكس، وهويتشوانتم الإعلان عن جميع طلبات محركات الدفع الكهربائي بقدرة 800 فولت.
منصة جهد 400 فولت
في منصة الجهد 400 فولت، يعتبر SiC-MOSFET بشكل أساسي في الاعتبار الطاقة العالية وكثافة الطاقة والكفاءة العالية.
على غرار محرك Tesla Model 3\Y المُنتج بكميات كبيرة حاليًا، تبلغ ذروة قدرة محرك BYD Hanhou حوالي 200 كيلوواط (Tesla: 202 كيلوواط، 194 كيلوواط، 220 كيلوواط، BYD: 180 كيلوواط). ستستخدم NIO أيضًا منتجات SiC-MOSFET بدءًا من ET7 وET5 اللذين سيتم ذكرهما لاحقًا. تبلغ ذروة القدرة 240 كيلوواط (ET5: 210 كيلوواط).
بالإضافة إلى ذلك، ومن منظور الكفاءة العالية، تستكشف بعض الشركات أيضًا جدوى استخدام منتجات SiC-MOSFET ذات الفيضانات المساعدة.
وقت النشر: ٨ يوليو ٢٠٢٣
