सिलिकॉन-आधारित पॉवर सेमीकंडक्टरच्या तुलनेत, SiC (सिलिकॉन कार्बाइड) पॉवर सेमीकंडक्टरचे स्विचिंग फ्रिक्वेन्सी, लॉस, उष्णता नष्ट होणे, लघुकरण इत्यादींमध्ये महत्त्वपूर्ण फायदे आहेत.
टेस्लाने सिलिकॉन कार्बाइड इन्व्हर्टरचे मोठ्या प्रमाणात उत्पादन सुरू केल्याने, अधिक कंपन्यांनी सिलिकॉन कार्बाइड उत्पादने बाजारात आणण्यास सुरुवात केली आहे.
SiC इतके "अद्भुत" आहे, ते कसे बनवले गेले? आता त्याचे अनुप्रयोग काय आहेत? चला पाहूया!
०१ ☆ एका SiC चा जन्म
इतर पॉवर सेमीकंडक्टर्सप्रमाणे, SiC-MOSFET उद्योग साखळीमध्ये समाविष्ट आहेलांब क्रिस्टल - सब्सट्रेट - एपिटॅक्सी - डिझाइन - मॅन्युफॅक्चरिंग - पॅकेजिंग लिंक.
लांब क्रिस्टल
लांब क्रिस्टल लिंक दरम्यान, सिंगल क्रिस्टल सिलिकॉनद्वारे वापरल्या जाणाऱ्या टिरा पद्धतीच्या तयारीच्या विपरीत, सिलिकॉन कार्बाइड प्रामुख्याने भौतिक वायू वाहतूक पद्धत (PVT, ज्याला सुधारित Lly किंवा बियाणे क्रिस्टल सबलिमेशन पद्धत देखील म्हणतात), उच्च तापमान रासायनिक वायू जमा करण्याची पद्धत (HTCVD) पूरक आहार घेते.
☆ मुख्य पायरी
१. कार्बनयुक्त घन कच्चा माल;
२. गरम केल्यानंतर, कार्बाइड घन वायूमध्ये बदलते;
३. वायू बीज क्रिस्टलच्या पृष्ठभागावर जातो;
४. बीजस्नायूच्या पृष्ठभागावर वायू वाढून स्फटिक बनतो.
चित्र स्रोत: “पीव्हीटी ग्रोथ सिलिकॉन कार्बाइड वेगळे करण्यासाठी तांत्रिक मुद्दा”
सिलिकॉन बेसच्या तुलनेत वेगवेगळ्या कारागिरीमुळे दोन मोठे तोटे निर्माण झाले आहेत:
प्रथम, उत्पादन कठीण आहे आणि उत्पन्न कमी आहे.कार्बन-आधारित वायू टप्प्याचे तापमान २३०० डिग्री सेल्सिअसपेक्षा जास्त वाढते आणि दाब ३५० एमपीए असतो. संपूर्ण गडद बॉक्स बाहेर काढला जातो आणि तो अशुद्धतेमध्ये मिसळणे सोपे असते. सिलिकॉन बेसपेक्षा उत्पादन कमी असते. व्यास जितका मोठा असेल तितके उत्पादन कमी असते.
दुसरे म्हणजे मंद वाढ.पीव्हीटी पद्धतीचे व्यवस्थापन खूपच मंद आहे, वेग सुमारे ०.३-०.५ मिमी/तास आहे आणि ते ७ दिवसांत २ सेमी वाढू शकते. जास्तीत जास्त फक्त ३-५ सेमी वाढू शकते आणि क्रिस्टल इंगॉटचा व्यास बहुतेक ४ इंच आणि ६ इंच असतो.
सिलिकॉन-आधारित 72H 2-3 मीटर उंचीपर्यंत वाढू शकते, बहुतेक व्यास 6 इंच आणि 8-इंच असू शकते, 12 इंचांसाठी नवीन उत्पादन क्षमता.म्हणून, सिलिकॉन कार्बाइडला बर्‍याचदा क्रिस्टल इनगॉट म्हणतात आणि सिलिकॉन एक क्रिस्टल स्टिक बनते.
कार्बाइड सिलिकॉन क्रिस्टल इंगॉट्स
सब्सट्रेट
लांब क्रिस्टल पूर्ण झाल्यानंतर, ते सब्सट्रेटच्या उत्पादन प्रक्रियेत प्रवेश करते.
लक्ष्यित कटिंग, ग्राइंडिंग (खडबडीत ग्राइंडिंग, बारीक ग्राइंडिंग), पॉलिशिंग (मेकॅनिकल पॉलिशिंग), अल्ट्रा-प्रिसिजन पॉलिशिंग (केमिकल मेकॅनिकल पॉलिशिंग) केल्यानंतर, सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट प्राप्त होते.
सब्सट्रेट प्रामुख्याने भूमिका बजावतेभौतिक आधार, औष्णिक चालकता आणि चालकता यांची भूमिका.प्रक्रियेची अडचण अशी आहे की सिलिकॉन कार्बाइड मटेरियल उच्च, कुरकुरीत आणि रासायनिक गुणधर्मांमध्ये स्थिर आहे. म्हणून, पारंपारिक सिलिकॉन-आधारित प्रक्रिया पद्धती सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेटसाठी योग्य नाहीत.
कटिंग इफेक्टची गुणवत्ता सिलिकॉन कार्बाइड उत्पादनांच्या कामगिरी आणि वापर कार्यक्षमता (किंमत) वर थेट परिणाम करते, म्हणून ते लहान, एकसमान जाडी आणि कमी कटिंग असणे आवश्यक आहे.
सध्या,४-इंच आणि ६-इंच प्रामुख्याने मल्टी-लाइन कटिंग उपकरणे वापरतात,सिलिकॉन क्रिस्टल्सचे पातळ तुकडे करणे ज्याची जाडी १ मिमी पेक्षा जास्त नसेल.
मल्टी-लाइन कटिंग स्कीमॅटिक आकृती
भविष्यात, कार्बनाइज्ड सिलिकॉन वेफर्सच्या आकारात वाढ झाल्यामुळे, मटेरियल वापराच्या आवश्यकतांमध्ये वाढ होईल आणि लेसर स्लाइसिंग आणि कोल्ड सेपरेशन सारख्या तंत्रज्ञानाचा वापर हळूहळू केला जाईल.
२०१८ मध्ये, इन्फिनॉनने सिलटेक्ट्रा जीएमबीएच विकत घेतले, ज्याने कोल्ड क्रॅकिंग म्हणून ओळखली जाणारी एक नाविन्यपूर्ण प्रक्रिया विकसित केली.
पारंपारिक मल्टी-वायर कटिंग प्रक्रियेच्या १/४ नुकसानाच्या तुलनेत,कोल्ड क्रॅकिंग प्रक्रियेमुळे सिलिकॉन कार्बाइड मटेरियलचा फक्त १/८ भागच नष्ट झाला.
विस्तार
सिलिकॉन कार्बाइड मटेरियल थेट सब्सट्रेटवर पॉवर डिव्हाइस बनवू शकत नसल्यामुळे, एक्सटेंशन लेयरवर विविध डिव्हाइस आवश्यक असतात.
म्हणून, सब्सट्रेटचे उत्पादन पूर्ण झाल्यानंतर, विस्तार प्रक्रियेद्वारे सब्सट्रेटवर एक विशिष्ट सिंगल क्रिस्टल पातळ फिल्म वाढवली जाते.
सध्या, रासायनिक वायू निक्षेपण पद्धत (CVD) प्रक्रिया प्रामुख्याने वापरली जाते.
डिझाइन
सब्सट्रेट बनवल्यानंतर, ते उत्पादन डिझाइन टप्प्यात प्रवेश करते.
MOSFET साठी, डिझाइन प्रक्रियेचा केंद्रबिंदू म्हणजे ग्रूव्हची रचना,एकीकडे पेटंट उल्लंघन टाळण्यासाठी(इन्फिनॉन, रोहम, एसटी, इत्यादींचा पेटंट लेआउट आहे), आणि दुसरीकडेउत्पादनक्षमता आणि उत्पादन खर्च भागवणे.
वेफर फॅब्रिकेशन
उत्पादनाची रचना पूर्ण झाल्यानंतर, ते वेफर उत्पादन टप्प्यात प्रवेश करते,आणि ही प्रक्रिया साधारणपणे सिलिकॉनसारखीच आहे, ज्यामध्ये प्रामुख्याने खालील ५ पायऱ्या असतात.
☆पायरी १: मास्क इंजेक्ट करा
सिलिकॉन ऑक्साईड (SiO2) फिल्मचा एक थर बनवला जातो, फोटोरेझिस्ट लेपित केला जातो, एकरूपता, एक्सपोजर, विकास इत्यादी चरणांद्वारे फोटोरेझिस्ट पॅटर्न तयार केला जातो आणि एचिंग प्रक्रियेद्वारे आकृती ऑक्साईड फिल्ममध्ये हस्तांतरित केली जाते.
☆पायरी २: आयन रोपण
मास्क केलेले सिलिकॉन कार्बाइड वेफर एका आयन इम्प्लांटरमध्ये ठेवले जाते, जिथे पी-टाइप डोपिंग झोन तयार करण्यासाठी अॅल्युमिनियम आयन इंजेक्ट केले जातात आणि इम्प्लांट केलेले अॅल्युमिनियम आयन सक्रिय करण्यासाठी अॅनिल केले जातात.
ऑक्साईड फिल्म काढून टाकली जाते, नायट्रोजन आयन पी-टाइप डोपिंग प्रदेशाच्या एका विशिष्ट प्रदेशात इंजेक्ट केले जातात जेणेकरून ड्रेन आणि स्त्रोताचा एन-टाइप वाहक प्रदेश तयार होईल आणि प्रत्यारोपित नायट्रोजन आयन त्यांना सक्रिय करण्यासाठी एनील केले जातात.
☆पायरी ३: ग्रिड बनवा
ग्रिड बनवा. स्त्रोत आणि ड्रेनमधील क्षेत्रात, उच्च तापमानाच्या ऑक्सिडेशन प्रक्रियेद्वारे गेट ऑक्साइड थर तयार केला जातो आणि गेट इलेक्ट्रोड थर जमा करून गेट नियंत्रण रचना तयार केली जाते.
☆पायरी ४: पॅसिव्हेशन लेयर्स बनवणे
पॅसिव्हेशन लेयर बनवला जातो. इंटरइलेक्ट्रोड ब्रेकडाउन टाळण्यासाठी चांगल्या इन्सुलेशन वैशिष्ट्यांसह पॅसिव्हेशन लेयर जमा करा.
☆पायरी ५: ड्रेन-सोर्स इलेक्ट्रोड बनवा
निचरा आणि स्रोत बनवा. पॅसिव्हेशन थर छिद्रित केला जातो आणि धातू थुंकून एक निचरा आणि स्रोत बनवला जातो.
फोटो स्रोत: Xinxi कॅपिटल
सिलिकॉन कार्बाइड मटेरियलच्या वैशिष्ट्यांमुळे, प्रक्रिया पातळी आणि सिलिकॉन आधारित यांच्यात फारसा फरक नसला तरी,आयन इम्प्लांटेशन आणि अॅनिलिंग उच्च तापमानाच्या वातावरणात करणे आवश्यक आहे.(१६०० डिग्री सेल्सिअस पर्यंत), उच्च तापमानाचा परिणाम सामग्रीच्या जाळीच्या संरचनेवर होईल आणि अडचण उत्पन्नावर देखील परिणाम करेल.
याव्यतिरिक्त, MOSFET घटकांसाठी,गेट ऑक्सिजनची गुणवत्ता थेट चॅनेल गतिशीलता आणि गेट विश्वासार्हतेवर परिणाम करते., कारण सिलिकॉन कार्बाइड पदार्थात सिलिकॉन आणि कार्बन अणूंचे दोन प्रकार असतात.
म्हणून, एक विशेष गेट मध्यम वाढ पद्धत आवश्यक आहे (दुसरा मुद्दा असा आहे की सिलिकॉन कार्बाइड शीट पारदर्शक आहे आणि फोटोलिथोग्राफी टप्प्यावर स्थिती संरेखन सिलिकॉनसाठी कठीण आहे).
वेफरचे उत्पादन पूर्ण झाल्यानंतर, वैयक्तिक चिप एका बेअर चिपमध्ये कापली जाते आणि उद्देशानुसार पॅकेज केली जाऊ शकते. स्वतंत्र उपकरणांसाठी सामान्य प्रक्रिया म्हणजे TO पॅकेज.
TO-247 पॅकेजमध्ये 650V CoolSiC™ MOSFETs
फोटो: इन्फिनॉन
ऑटोमोटिव्ह क्षेत्रात उच्च शक्ती आणि उष्णता नष्ट करण्याची आवश्यकता असते आणि कधीकधी थेट ब्रिज सर्किट्स (अर्धा पूल किंवा पूर्ण पूल, किंवा थेट डायोडसह पॅकेज केलेले) तयार करणे आवश्यक असते.
म्हणून, ते बहुतेकदा थेट मॉड्यूल किंवा सिस्टममध्ये पॅक केले जाते. एकाच मॉड्यूलमध्ये पॅक केलेल्या चिप्सच्या संख्येनुसार, सामान्य फॉर्म 1 इन 1 (बोर्गवॉर्नर), 6 इन 1 (इन्फिनॉन) इत्यादी आहे आणि काही कंपन्या सिंगल-ट्यूब पॅरलल स्कीम वापरतात.
बोर्गवॉर्नर वाइपर
दुहेरी बाजूंनी पाणी थंड करणे आणि SiC-MOSFET ला समर्थन देते.
Infineon CoolSiC™ MOSFET मॉड्यूल्स
सिलिकॉनच्या विपरीत,सिलिकॉन कार्बाइड मॉड्यूल जास्त तापमानात, सुमारे २०० डिग्री सेल्सिअस तापमानात काम करतात.
पारंपारिक सॉफ्ट सोल्डर तापमान वितळण्याच्या बिंदूचे तापमान कमी असते, ते तापमान आवश्यकता पूर्ण करू शकत नाही. म्हणून, सिलिकॉन कार्बाइड मॉड्यूल बहुतेकदा कमी-तापमानाच्या सिल्व्हर सिंटरिंग वेल्डिंग प्रक्रियेचा वापर करतात.
मॉड्यूल पूर्ण झाल्यानंतर, ते भाग प्रणालीवर लागू केले जाऊ शकते.
टेस्ला मॉडेल३ मोटर कंट्रोलर
ही बेअर चिप एसटी, स्वयं-विकसित पॅकेज आणि इलेक्ट्रिक ड्राइव्ह सिस्टममधून येते.
☆02 SiC च्या अर्जाची स्थिती?
ऑटोमोटिव्ह क्षेत्रात, पॉवर उपकरणे प्रामुख्याने वापरली जातातडीसीडीसी, ओबीसी, मोटर इन्व्हर्टर, इलेक्ट्रिक एअर कंडिशनिंग इन्व्हर्टर, वायरलेस चार्जिंग आणि इतर भागज्यांना एसी/डीसी जलद रूपांतरण आवश्यक आहे (डीसीडीसी प्रामुख्याने जलद स्विच म्हणून काम करते).
फोटो: बोर्गवॉर्नर
सिलिकॉन-आधारित सामग्रीच्या तुलनेत, SIC सामग्रीमध्ये जास्त असतेगंभीर हिमस्खलन ब्रेकडाउन फील्ड स्ट्रेंथ(३×१०६V/सेमी),चांगली औष्णिक चालकता(४९ वॅट/एमके) आणिविस्तृत बँड गॅप(३.२६ ईव्ही).
बँड गॅप जितका जास्त असेल तितका गळतीचा प्रवाह कमी असेल आणि कार्यक्षमता जास्त असेल. थर्मल चालकता जितकी चांगली असेल तितकी विद्युत प्रवाहाची घनता जास्त असेल. क्रिटिकल हिमस्खलन ब्रेकडाउन फील्ड जितके मजबूत असेल तितके उपकरणाचा व्होल्टेज प्रतिरोध सुधारता येतो.
म्हणून, ऑन-बोर्ड हाय व्होल्टेजच्या क्षेत्रात, विद्यमान सिलिकॉन-आधारित IGBT आणि FRD संयोजन बदलण्यासाठी सिलिकॉन कार्बाइड मटेरियलद्वारे तयार केलेले MOSFETs आणि SBD प्रभावीपणे शक्ती आणि कार्यक्षमता सुधारू शकतात,विशेषतः उच्च वारंवारता अनुप्रयोग परिस्थितींमध्ये स्विचिंग नुकसान कमी करण्यासाठी.
सध्या, मोटर इन्व्हर्टरमध्ये मोठ्या प्रमाणात अनुप्रयोग साध्य होण्याची शक्यता आहे, त्यानंतर ओबीसी आणि डीसीडीसीचा क्रमांक लागतो.
८०० व्ही व्होल्टेज प्लॅटफॉर्म
८०० व्ही व्होल्टेज प्लॅटफॉर्ममध्ये, उच्च वारंवारतेचा फायदा उद्योगांना SiC-MOSFET सोल्यूशन निवडण्यास अधिक प्रवृत्त करतो. म्हणूनच, सध्याच्या ८०० व्ही इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण नियोजनातील बहुतेक भाग SiC-MOSFET वापरतात.
प्लॅटफॉर्म-स्तरीय नियोजनात समाविष्ट आहेआधुनिक ई-जीएमपी, जीएम ओटनर्जी - पिकअप फील्ड, पोर्श पीपीई आणि टेस्ला ईपीए.पोर्श पीपीई प्लॅटफॉर्म मॉडेल्स वगळता जे स्पष्टपणे SiC-MOSFET (पहिले मॉडेल सिलिका-आधारित IGBT आहे) वापरत नाहीत, इतर वाहन प्लॅटफॉर्म SiC-MOSFET योजना स्वीकारतात.
युनिव्हर्सल अल्ट्रा एनर्जी प्लॅटफॉर्म
८०० व्ही मॉडेल प्लॅनिंग जास्त आहे,ग्रेट वॉल सलून ब्रँड जियागिरोंग, बेकी पोल फॉक्स एस एचआय आवृत्ती, आदर्श कार एस०१ आणि डब्ल्यू०१, झियाओपेंग जी९, बीएमडब्ल्यू एनके१, चांगन अविता E11 ने सांगितले की ते 800V प्लॅटफॉर्म घेऊन जाईल, BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag व्यतिरिक्त, Volkswagen ने देखील 800V तंत्रज्ञान संशोधनात असल्याचे सांगितले.
टियर१ पुरवठादारांनी मिळवलेल्या ८०० व्ही ऑर्डरच्या परिस्थितीवरून,बोर्गवॉर्नर, विपाई टेक्नॉलॉजी, झेडएफ, युनायटेड इलेक्ट्रॉनिक्स आणि हुइचुआनसर्व जाहीर केलेले ८०० व्ही इलेक्ट्रिक ड्राइव्ह ऑर्डर.
४०० व्ही व्होल्टेज प्लॅटफॉर्म
४०० व्ही व्होल्टेज प्लॅटफॉर्ममध्ये, SiC-MOSFET प्रामुख्याने उच्च शक्ती आणि पॉवर घनता आणि उच्च कार्यक्षमतेचा विचार करते.
जसे की टेस्ला मॉडेल 3\Y मोटर जी आता मोठ्या प्रमाणात उत्पादित केली जात आहे, BYD हानहू मोटरची पीक पॉवर सुमारे 200Kw आहे (टेस्ला 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO ET7 पासून सुरू होणारी SiC-MOSFET उत्पादने आणि नंतर सूचीबद्ध केलेल्या ET5 चा देखील वापर करेल. पीक पॉवर 240Kw (ET5 210Kw) आहे.
याव्यतिरिक्त, उच्च कार्यक्षमतेच्या दृष्टिकोनातून, काही उपक्रम सहाय्यक पूरग्रस्त SiC-MOSFET उत्पादनांच्या व्यवहार्यतेचा शोध घेत आहेत.
पोस्ट वेळ: जुलै-०८-२०२३
