بالمقارنة مع أشباه موصلات الطاقة القائمة على السيليكون، تتمتع أشباه موصلات الطاقة SiC (كربيد السيليكون) بمزايا كبيرة في تبديل التردد، والفقد، وتبديد الحرارة، والتصغير، وما إلى ذلك.
مع إنتاج Tesla على نطاق واسع لمحولات كربيد السيليكون، بدأت المزيد من الشركات أيضًا في طرح منتجات كربيد السيليكون.
إن SiC "مذهل" للغاية، فكيف تم صنعه بحق السماء؟ما هي التطبيقات الآن؟دعنا نرى!
01 ☆ ولادة SiC
مثل أشباه موصلات الطاقة الأخرى، تتضمن سلسلة صناعة SiC-MOSFETالبلورة الطويلة – الركيزة – التنقيح – التصميم – التصنيع – وصلة التعبئة والتغليف.
كريستال طويل
أثناء الارتباط البلوري الطويل، على عكس تحضير طريقة Tira التي يستخدمها السيليكون البلوري الأحادي، يعتمد كربيد السيليكون بشكل أساسي طريقة نقل الغاز الفيزيائي (PVT، المعروف أيضًا باسم طريقة التسامي Lly أو كريستال البذور المحسنة)، وطريقة ترسيب الغاز الكيميائي بدرجة حرارة عالية (HTCVD) ) المكملات.
☆ الخطوة الأساسية
1. المواد الخام الصلبة الكربونية.
2. بعد التسخين، تصبح مادة الكربيد الصلبة غازًا؛
3. انتقال الغاز إلى سطح كريستال البذور؛
4. ينمو الغاز على سطح البذرة ويتحول إلى بلورة.
مصدر الصورة: "النقطة الفنية لتفكيك كربيد السيليكون لنمو PVT"
لقد تسببت الصناعة اليدوية المختلفة في عيبين رئيسيين مقارنة بقاعدة السيليكون:
أولا، الإنتاج صعب والعائد منخفض.تزيد درجة حرارة الطور الغازي المعتمد على الكربون عن 2300 درجة مئوية ويكون الضغط 350 ميجا باسكال.يتم تنفيذ الصندوق المظلم بالكامل، ومن السهل خلطه بالشوائب.العائد أقل من قاعدة السيليكون.كلما زاد القطر، انخفض العائد.
والثاني هو النمو البطيء.إن إدارة طريقة PVT بطيئة جدًا، وتبلغ السرعة حوالي 0.3-0.5 مم/ساعة، ويمكن أن تنمو 2 سم في 7 أيام.يمكن أن يصل الحد الأقصى إلى 3-5 سم فقط، ويبلغ قطر السبيكة البلورية في الغالب 4 بوصات و6 بوصات.
يمكن أن يصل ارتفاع 72H القائم على السيليكون إلى 2-3 أمتار، بأقطار في الغالب 6 بوصات وسعة إنتاجية جديدة 8 بوصات لـ 12 بوصة.لذلك، غالبًا ما يُطلق على كربيد السيليكون اسم السبيكة البلورية، ويصبح السيليكون عصا بلورية.
سبائك كريستال كربيد السيليكون
المادة المتفاعلة
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.
الركيزة تلعب بشكل رئيسيدور الدعم المادي والتوصيل الحراري والتوصيل.وتكمن صعوبة المعالجة في أن مادة كربيد السيليكون عالية ومقرمشة وثابتة في الخواص الكيميائية.ولذلك، فإن طرق المعالجة التقليدية القائمة على السيليكون ليست مناسبة لركيزة كربيد السيليكون.
تؤثر جودة تأثير القطع بشكل مباشر على الأداء وكفاءة الاستخدام (التكلفة) لمنتجات كربيد السيليكون، لذلك يجب أن تكون صغيرة الحجم وموحدة السماكة ومنخفضة القطع.
في الوقت الحالي،4 بوصة و6 بوصة تستخدم بشكل أساسي معدات القطع متعددة الخطوط،تقطيع بلورات السيليكون إلى شرائح رفيعة لا يزيد سمكها عن 1 ملم.
رسم تخطيطي للقطع متعدد الخطوط
في المستقبل، مع زيادة حجم رقائق السيليكون المتفحمة، ستزداد متطلبات استخدام المواد، كما سيتم 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 عملية قطع الأسلاك المتعددة التقليدية التي تبلغ 1/4،عملية التكسير البارد فقدت فقط 1/8 من مادة كربيد السيليكون.
امتداد
وبما أن مادة كربيد السيليكون لا يمكنها تصنيع أجهزة الطاقة مباشرة على الركيزة، فإن هناك حاجة إلى أجهزة مختلفة على طبقة التمديد.
ولذلك، بعد الانتهاء من إنتاج الركيزة، يتم زراعة طبقة رقيقة كريستالية واحدة محددة على الركيزة من خلال عملية التمديد.
في الوقت الحاضر، يتم استخدام طريقة ترسيب الغاز الكيميائي (CVD) بشكل رئيسي.
تصميم
بعد تصنيع الركيزة، تدخل مرحلة تصميم المنتج.
بالنسبة لـ MOSFET، تركز عملية التصميم على تصميم الأخدود،من ناحية لتجنب انتهاك براءات الاختراع(إنفينيون، روم، ST، وما إلى ذلك، لديها تخطيط براءة اختراع)، ومن ناحية أخرى لتلبية تكاليف التصنيع والتصنيع.
تصنيع الويفر
بعد الانتهاء من تصميم المنتج، يدخل في مرحلة تصنيع الويفر،وهذه العملية تشبه تقريبًا عملية السيليكون، والتي تتكون أساسًا من الخطوات الخمس التالية.
☆الخطوة 1: حقن القناع
يتم تصنيع طبقة من فيلم أكسيد السيليكون (SiO2)، ويتم طلاء مقاوم الضوء، ويتم تشكيل نمط مقاوم الضوء 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 أداة زرع الأيونات، حيث يتم حقن أيونات الألومنيوم لتشكيل منطقة منشط من النوع P، وتُلدين لتنشيط أيونات الألومنيوم المزروعة.
تتم إزالة طبقة الأكسيد، ويتم حقن أيونات النيتروجين في منطقة معينة 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 الواقعة بين المصدر والصرف، يتم تحضير طبقة أكسيد البوابة عن طريق عملية الأكسدة ذات درجة الحرارة العالية، ويتم ترسيب طبقة قطب البوابة لتشكيل هيكل التحكم في البوابة.
☆الخطوة 4: عمل طبقات التخميل
طبقة التخميل مصنوعة.قم بإيداع طبقة تخميل ذات خصائص عزل جيدة لمنع انهيار الأقطاب الكهربائية.
☆الخطوة 5: اصنع أقطاب كهربائية لمصدر الصرف
اصنع الصرف والمصدر.تكون طبقة التخميل مثقوبة ويتم رش المعدن ليشكل مصرفًا ومصدرًا.
مصدر الصورة: شينشي كابيتال
على الرغم من وجود اختلاف بسيط بين مستوى العملية والسيليكون، وذلك بسبب خصائص مواد كربيد السيليكون،يجب إجراء عملية زرع الأيونات والتليين في بيئة ذات درجة حرارة عالية(حتى 1600 درجة مئوية)، ستؤثر درجة الحرارة المرتفعة على البنية الشبكية للمادة نفسها، وستؤثر الصعوبة أيضًا على المحصول.
بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة لمكونات MOSFET،تؤثر جودة أكسجين البوابة بشكل مباشر على حركة القناة وموثوقية البوابةلأن هناك نوعين من ذرات السيليكون والكربون في مادة كربيد السيليكون.
لذلك، هناك حاجة إلى طريقة خاصة لنمو وسط البوابة (نقطة أخرى هي أن ورقة كربيد السيليكون شفافة، وأن محاذاة الموضع في مرحلة الطباعة الحجرية الضوئية يصعب على السيليكون).
بعد الانتهاء من تصنيع الرقاقة، يتم قطع الشريحة الفردية إلى شريحة عارية ويمكن تعبئتها وفقًا للغرض.العملية الشائعة للأجهزة المنفصلة هي TO package.
وحدات MOSFET من CoolSiC™ بقدرة 650 فولت في حزمة TO-247
الصورة: انفينيون
يتمتع مجال السيارات بمتطلبات عالية من الطاقة وتبديد الحرارة، وفي بعض الأحيان يكون من الضروري بناء دوائر الجسور مباشرة (نصف جسر أو جسر كامل، أو معبأة مباشرة بالثنائيات).
لذلك، غالبًا ما يتم تجميعها مباشرة في وحدات أو أنظمة.وفقًا لعدد الرقائق المعبأة في وحدة واحدة، فإن الشكل الشائع هو 1 في 1 (BorgWarner)، و6 في 1 (Infineon)، وما إلى ذلك، وتستخدم بعض الشركات مخططًا متوازيًا أحادي الأنبوب.
بورغوارنر فايبر
يدعم تبريد الماء على الوجهين وSiC-MOSFET
وحدات Infineon CoolSiC™ MOSFET
على عكس السيليكون،تعمل وحدات كربيد السيليكون عند درجة حرارة أعلى تبلغ حوالي 200 درجة مئوية.
درجة حرارة نقطة انصهار اللحام الناعمة التقليدية منخفضة، ولا يمكن أن تلبي متطلبات درجة الحرارة.لذلك، غالبًا ما تستخدم وحدات كربيد السيليكون عملية لحام تلبيد الفضة بدرجة حرارة منخفضة.
بعد اكتمال الوحدة، يمكن تطبيقها على نظام الأجزاء.
وحدة تحكم المحرك تسلا موديل 3
الرقاقة العارية تأتي من ST، حزمة مطورة ذاتيا ونظام قيادة كهربائي
☆02 حالة طلب SiC؟
في مجال السيارات، يتم استخدام أجهزة الطاقة بشكل رئيسي فيDCDC، OBC، محولات المحرك، محولات تكييف الهواء الكهربائية، الشحن اللاسلكي وأجزاء أخرىالتي تتطلب تحويل سريع للتيار المتردد/المستمر (يعمل DCDC بشكل أساسي كمحول سريع).
الصورة: بورغوارنر
بالمقارنة مع المواد القائمة على السيليكون، فإن مواد SIC لديها أعلىانهيار الانهيار الجليدي الحرج لقوة المجال(3×106 فولت/سم)،الموصلية الحرارية أفضل(49 واط / م ك) وفجوة نطاق أوسع(3.26 فولت).
كلما اتسعت فجوة النطاق، قل تيار التسرب وارتفعت الكفاءة.كلما كانت الموصلية الحرارية أفضل، كلما زادت كثافة التيار.كلما كان مجال انهيار الانهيار الجليدي الحرج أقوى، يمكن تحسين مقاومة الجهد للجهاز.
لذلك، في مجال الجهد العالي على متن الطائرة، يمكن لدوائر MOSFET وSBD التي تم إعدادها بواسطة مواد كربيد السيليكون لتحل محل مجموعة IGBT وFRD القائمة على السيليكون تحسين الطاقة والكفاءة بشكل فعال،خاصة في سيناريوهات التطبيقات عالية التردد لتقليل خسائر التبديل.
في الوقت الحاضر، من المرجح أن يتم تحقيق تطبيقات واسعة النطاق في محولات المحركات، تليها OBC وDCDC.
منصة الجهد 800 فولت
في منصة الجهد 800 فولت، ميزة التردد العالي تجعل الشركات أكثر ميلًا لاختيار حل SiC-MOSFET.ولذلك، فإن معظم تخطيط التحكم الإلكتروني الحالي 800V SiC-MOSFET.
يتضمن التخطيط على مستوى المنصةE-GMP الحديث، وGM Otenergy – حقل الالتقاط، وPorsche PPE، وTesla EPA.باستثناء نماذج منصة Porsche PPE التي لا تحمل SiC-MOSFET بشكل صريح (النموذج الأول هو IGBT القائم على السيليكا)، تعتمد منصات المركبات الأخرى مخططات SiC-MOSFET.
منصة عالمية فائقة الطاقة
تخطيط نموذج 800 فولت هو أكثر من ذلك،العلامة التجارية Great Wall Salon Jiagirong، إصدار Beiqi Pole Fox S HI، السيارة المثالية S01 وW01، Xiaopeng G9، BMW NK1، قالت تشانجان أفيتا E11 أنها ستحمل منصة 800V، بالإضافة إلى BYD، Lantu، GAC 'an، Mercedes-Benz، Zero Run، FAW Red Flag، وقالت فولكس واجن أيضًا تكنولوجيا 800V في البحث.
من حالة طلبات 800 فولت التي حصل عليها موردو المستوى 1،BorgWarner، Wipai Technology، ZF، United Electronics، وHuichuanتم الإعلان عن جميع طلبات المحركات الكهربائية 800 فولت.
منصة الجهد 400 فولت
في منصة الجهد 400 فولت، تأخذ SiC-MOSFET بشكل أساسي في الاعتبار الطاقة العالية وكثافة الطاقة والكفاءة العالية.
مثل محرك Tesla Model 3\Y الذي تم إنتاجه بكميات كبيرة الآن، تبلغ الطاقة القصوى لمحرك BYD Hanhou حوالي 200 كيلو وات (Tesla 202Kw، 194Kw، 220Kw، BYD 180Kw)، وستستخدم NIO أيضًا منتجات SiC-MOSFET بدءًا من ET7 وET5 الذي سيتم إدراجه لاحقا.الطاقة القصوى هي 240 كيلو وات (ET5 210 كيلو وات).
بالإضافة إلى ذلك، ومن منظور الكفاءة العالية، تستكشف بعض الشركات أيضًا جدوى منتجات الغمر المساعد SiC-MOSFET.
وقت النشر: 08 يوليو 2023