सिलिकॉन आधारित पावर सेमीकंडक्टरों की तुलना में, SiC (सिलिकॉन कार्बाइड) पावर सेमीकंडक्टरों में स्विचिंग आवृत्ति, हानि, ऊष्मा अपव्यय, लघुकरण आदि में महत्वपूर्ण लाभ हैं।
टेस्ला द्वारा सिलिकॉन कार्बाइड इनवर्टर के बड़े पैमाने पर उत्पादन के साथ, अधिक कंपनियों ने भी सिलिकॉन कार्बाइड उत्पादों का उत्पादन शुरू कर दिया है।
SiC इतना "अद्भुत" है, आखिर इसे कैसे बनाया गया? अब इसके क्या-क्या उपयोग हैं? आइए देखें!
01 ☆ एक SiC का जन्म
अन्य विद्युत अर्धचालकों की तरह, SiC-MOSFET उद्योग श्रृंखला में शामिल हैंलंबा क्रिस्टल - सब्सट्रेट - एपिटैक्सी - डिजाइन - विनिर्माण - पैकेजिंग लिंक।
लंबा क्रिस्टल
लंबे क्रिस्टल लिंक के दौरान, एकल क्रिस्टल सिलिकॉन द्वारा उपयोग की जाने वाली तिरा विधि की तैयारी के विपरीत, सिलिकॉन कार्बाइड मुख्य रूप से भौतिक गैस परिवहन विधि (पीवीटी, जिसे बेहतर एलएलवाई या बीज क्रिस्टल उदात्तीकरण विधि के रूप में भी जाना जाता है), उच्च तापमान रासायनिक गैस जमाव विधि (एचटीसीवीडी) की खुराक को अपनाता है।
☆ मुख्य चरण
1. कार्बोनिक ठोस कच्चा माल;
2. गर्म करने के बाद, कार्बाइड ठोस गैस बन जाता है;
3. गैस बीज क्रिस्टल की सतह पर चली जाती है;
4. गैस बीज क्रिस्टल की सतह पर क्रिस्टल के रूप में विकसित होती है।
चित्र स्रोत: “पीवीटी विकास सिलिकॉन कार्बाइड को अलग करने के लिए तकनीकी बिंदु”
सिलिकॉन आधार की तुलना में अलग शिल्प कौशल के कारण दो प्रमुख नुकसान हुए हैं:
पहला, उत्पादन कठिन है और उपज कम है।कार्बन-आधारित गैस चरण का तापमान 2300°C से ऊपर और दाब 350MPa होता है। पूरा डार्क बॉक्स बाहर निकाला जाता है, और अशुद्धियों में मिलाना आसान होता है। इसकी उपज सिलिकॉन बेस की तुलना में कम होती है। व्यास जितना बड़ा होगा, उपज उतनी ही कम होगी।
दूसरा है धीमी वृद्धि।पीवीटी विधि का संचालन बहुत धीमा है, गति लगभग 0.3-0.5 मिमी/घंटा है, और यह 7 दिनों में 2 सेमी बढ़ सकती है। अधिकतम केवल 3-5 सेमी ही बढ़ सकता है, और क्रिस्टल पिंड का व्यास आमतौर पर 4 इंच और 6 इंच होता है।
सिलिकॉन आधारित 72H 2-3 मीटर की ऊंचाई तक बढ़ सकता है, जिसका व्यास अधिकतर 6 इंच और 8 इंच है, तथा 12 इंच के लिए नई उत्पादन क्षमता है।इसलिए, सिलिकॉन कार्बाइड को अक्सर क्रिस्टल पिंड कहा जाता है, और सिलिकॉन एक क्रिस्टल स्टिक बन जाता है।
कार्बाइड सिलिकॉन क्रिस्टल सिल्लियां
सब्सट्रेट
लंबे क्रिस्टल के पूरा हो जाने के बाद, यह सब्सट्रेट की उत्पादन प्रक्रिया में प्रवेश करता है।
लक्षित काटने, पीसने (खुरदरा पीसने, ठीक पीसने), पॉलिशिंग (यांत्रिक पॉलिशिंग), अल्ट्रा-सटीक पॉलिशिंग (रासायनिक यांत्रिक पॉलिशिंग) के बाद, सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट प्राप्त किया जाता है।
सब्सट्रेट मुख्य रूप से भूमिका निभाता हैभौतिक समर्थन, तापीय चालकता और चालकता की भूमिका।प्रसंस्करण की कठिनाई यह है कि सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री उच्च रासायनिक गुणों, कुरकुरी और स्थिर होती है। इसलिए, पारंपरिक सिलिकॉन-आधारित प्रसंस्करण विधियाँ सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट के लिए उपयुक्त नहीं हैं।
काटने के प्रभाव की गुणवत्ता सीधे सिलिकॉन कार्बाइड उत्पादों के प्रदर्शन और उपयोग दक्षता (लागत) को प्रभावित करती है, इसलिए इसे छोटा, समान मोटाई और कम काटने की आवश्यकता होती है।
वर्तमान में,4-इंच और 6-इंच मुख्य रूप से बहु-लाइन काटने उपकरण का उपयोग करता है,सिलिकॉन क्रिस्टल को 1 मिमी से अधिक मोटाई वाले पतले स्लाइस में काटना।
बहु-पंक्ति काटने का योजनाबद्ध आरेख
भविष्य में, कार्बोनाइज्ड सिलिकॉन वेफर्स के आकार में वृद्धि के साथ, सामग्री उपयोग आवश्यकताओं में वृद्धि होगी, और लेजर स्लाइसिंग और कोल्ड सेपरेशन जैसी तकनीकों को भी धीरे-धीरे लागू किया जाएगा।
2018 में, Infineon ने Siltectra GmbH का अधिग्रहण किया, जिसने कोल्ड क्रैकिंग नामक एक नवीन प्रक्रिया विकसित की।
पारंपरिक बहु-तार काटने की प्रक्रिया की तुलना में 1/4 का नुकसान,शीत दरार प्रक्रिया में सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री का केवल 1/8 भाग ही नष्ट हुआ।
विस्तार
चूंकि सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री से सीधे सब्सट्रेट पर विद्युत उपकरण नहीं बनाए जा सकते, इसलिए विस्तार परत पर विभिन्न उपकरणों की आवश्यकता होती है।
इसलिए, सब्सट्रेट का उत्पादन पूरा होने के बाद, विस्तार प्रक्रिया के माध्यम से सब्सट्रेट पर एक विशिष्ट एकल क्रिस्टल पतली फिल्म विकसित की जाती है।
वर्तमान में, रासायनिक गैस जमाव विधि (सीवीडी) प्रक्रिया का मुख्य रूप से उपयोग किया जाता है।
डिज़ाइन
सब्सट्रेट बनने के बाद, यह उत्पाद डिजाइन चरण में प्रवेश करता है।
MOSFET के लिए, डिजाइन प्रक्रिया का फोकस खांचे का डिजाइन है,एक ओर पेटेंट उल्लंघन से बचने के लिए(इनफिनियॉन, रोहम, एसटी, आदि के पास पेटेंट लेआउट है), और दूसरी ओरविनिर्माण और विनिर्माण लागत को पूरा करना।
वेफर निर्माण
उत्पाद का डिज़ाइन पूरा होने के बाद, यह वेफर निर्माण चरण में प्रवेश करता है,और यह प्रक्रिया मोटे तौर पर सिलिकॉन के समान है, जिसमें मुख्य रूप से निम्नलिखित 5 चरण होते हैं।
☆चरण 1: मास्क इंजेक्ट करें
सिलिकॉन ऑक्साइड (SiO2) फिल्म की एक परत बनाई जाती है, फोटोरेसिस्ट को लेपित किया जाता है, फोटोरेसिस्ट पैटर्न को होमोजीनाइजेशन, एक्सपोजर, डेवलपमेंट आदि चरणों के माध्यम से बनाया जाता है, और आकृति को एचिंग प्रक्रिया के माध्यम से ऑक्साइड फिल्म में स्थानांतरित किया जाता है।
☆चरण 2: आयन आरोपण
मास्क्ड सिलिकॉन कार्बाइड वेफर को आयन इम्प्लांटर में रखा जाता है, जहां एल्युमीनियम आयनों को पी-टाइप डोपिंग क्षेत्र बनाने के लिए इंजेक्ट किया जाता है, और प्रत्यारोपित एल्युमीनियम आयनों को सक्रिय करने के लिए उन्हें एनील किया जाता है।
ऑक्साइड फिल्म को हटा दिया जाता है, नाइट्रोजन आयनों को पी-प्रकार के डोपिंग क्षेत्र के एक विशिष्ट क्षेत्र में इंजेक्ट किया जाता है, जिससे नाली और स्रोत का एन-प्रकार का प्रवाहकीय क्षेत्र बनता है, और प्रत्यारोपित नाइट्रोजन आयनों को सक्रिय करने के लिए उन्हें एनील किया जाता है।
☆चरण 3: ग्रिड बनाएं
ग्रिड बनाएँ। स्रोत और नाली के बीच के क्षेत्र में, उच्च तापमान ऑक्सीकरण प्रक्रिया द्वारा गेट ऑक्साइड परत तैयार की जाती है, और गेट इलेक्ट्रोड परत को जमा करके गेट नियंत्रण संरचना बनाई जाती है।
☆चरण 4: निष्क्रियता परतें बनाना
निष्क्रियता परत बनाई जाती है। इंटरइलेक्ट्रोड टूटने को रोकने के लिए अच्छी इन्सुलेशन विशेषताओं वाली निष्क्रियता परत जमा करें।
☆चरण 5: ड्रेन-सोर्स इलेक्ट्रोड बनाएं
नाली और स्रोत बनाएँ: निष्क्रियता परत को छिद्रित किया जाता है और धातु को छिड़ककर नाली और स्रोत बनाया जाता है।
फोटो स्रोत: शिनक्सी कैपिटल
यद्यपि सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री की विशेषताओं के कारण प्रक्रिया स्तर और सिलिकॉन आधारित के बीच बहुत कम अंतर है,आयन आरोपण और तापानुशीतन को उच्च तापमान वाले वातावरण में किया जाना आवश्यक है(1600 डिग्री सेल्सियस तक), उच्च तापमान सामग्री की जाली संरचना को प्रभावित करेगा, और कठिनाई भी उपज को प्रभावित करेगी।
इसके अलावा, MOSFET घटकों के लिए,गेट ऑक्सीजन की गुणवत्ता सीधे चैनल गतिशीलता और गेट विश्वसनीयता को प्रभावित करती हैक्योंकि सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री में दो प्रकार के सिलिकॉन और कार्बन परमाणु होते हैं।
इसलिए, एक विशेष गेट माध्यम विकास विधि की आवश्यकता है (एक और बिंदु यह है कि सिलिकॉन कार्बाइड शीट पारदर्शी है, और फोटोलिथोग्राफी चरण में स्थिति संरेखण सिलिकॉन के लिए मुश्किल है)।
वेफर निर्माण पूरा होने के बाद, प्रत्येक चिप को एक खाली चिप में काट दिया जाता है और उद्देश्य के अनुसार पैक किया जा सकता है। असतत उपकरणों के लिए सामान्य प्रक्रिया पैकेजिंग है।
TO-247 पैकेज में 650V CoolSiC™ MOSFETs
फोटो: इन्फिनिऑन
ऑटोमोटिव क्षेत्र में उच्च शक्ति और ऊष्मा अपव्यय की आवश्यकताएं होती हैं, और कभी-कभी सीधे ब्रिज सर्किट (आधा ब्रिज या पूर्ण ब्रिज, या सीधे डायोड के साथ पैक) का निर्माण करना आवश्यक होता है।
इसलिए, इसे अक्सर सीधे मॉड्यूल या सिस्टम में पैक किया जाता है। एक मॉड्यूल में पैक किए गए चिप्स की संख्या के अनुसार, सामान्य रूप 1 इन 1 (बोर्गवार्नर), 6 इन 1 (इनफिनियॉन), आदि है, और कुछ कंपनियां एकल-ट्यूब समानांतर योजना का उपयोग करती हैं।
बोर्गवार्नर वाइपर
दोहरे तरफा जल शीतलन और SiC-MOSFET का समर्थन करता है
Infineon CoolSiC™ MOSFET मॉड्यूल
सिलिकॉन के विपरीत,सिलिकॉन कार्बाइड मॉड्यूल उच्च तापमान, लगभग 200 डिग्री सेल्सियस पर संचालित होते हैं।
पारंपरिक सॉफ्ट सोल्डर का गलनांक तापमान कम होता है और तापमान आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर पाता। इसलिए, सिलिकॉन कार्बाइड मॉड्यूल अक्सर कम तापमान वाली सिल्वर सिंटरिंग वेल्डिंग प्रक्रिया का उपयोग करते हैं।
मॉड्यूल पूरा हो जाने के बाद, इसे पार्ट्स सिस्टम पर लागू किया जा सकता है।
टेस्ला मॉडल3 मोटर नियंत्रक
नंगे चिप एसटी, स्व-विकसित पैकेज और इलेक्ट्रिक ड्राइव सिस्टम से आता है
☆02 SiC की आवेदन स्थिति?
ऑटोमोटिव क्षेत्र में, बिजली उपकरणों का उपयोग मुख्य रूप से किया जाता हैडीसीडीसी, ओबीसी, मोटर इनवर्टर, इलेक्ट्रिक एयर कंडीशनिंग इनवर्टर, वायरलेस चार्जिंग और अन्य पार्ट्सजिसके लिए AC/DC तीव्र रूपांतरण की आवश्यकता होती है (DCDC मुख्यतः तीव्र स्विच के रूप में कार्य करता है)।
फोटो: बोर्गवार्नर
सिलिकॉन आधारित सामग्रियों की तुलना में, एसआईसी सामग्रियों में अधिक होता हैमहत्वपूर्ण हिमस्खलन विखंडन क्षेत्र शक्ति(3×106वी/सेमी),बेहतर तापीय चालकता(49W/mK) औरव्यापक बैंड गैप(3.26 ईवी).
बैंड गैप जितना चौड़ा होगा, लीकेज करंट उतना ही कम होगा और दक्षता उतनी ही अधिक होगी। तापीय चालकता जितनी बेहतर होगी, करंट घनत्व उतना ही अधिक होगा। क्रिटिकल एवलांच ब्रेकडाउन फ़ील्ड जितना मज़बूत होगा, डिवाइस का वोल्टेज प्रतिरोध उतना ही बेहतर हो सकता है।
इसलिए, ऑन-बोर्ड उच्च वोल्टेज के क्षेत्र में, मौजूदा सिलिकॉन-आधारित आईजीबीटी और एफआरडी संयोजन को बदलने के लिए सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री द्वारा तैयार एमओएसएफईटी और एसबीडी प्रभावी रूप से शक्ति और दक्षता में सुधार कर सकते हैं,विशेष रूप से उच्च आवृत्ति अनुप्रयोग परिदृश्यों में स्विचिंग हानियों को कम करने के लिए।
वर्तमान में, मोटर इनवर्टर में बड़े पैमाने पर अनुप्रयोगों को प्राप्त करने की सबसे अधिक संभावना है, इसके बाद ओबीसी और डीसीडीसी हैं।
800V वोल्टेज प्लेटफ़ॉर्म
800V वोल्टेज प्लेटफ़ॉर्म में, उच्च आवृत्ति का लाभ उद्यमों को SiC-MOSFET समाधान चुनने के लिए अधिक इच्छुक बनाता है। इसलिए, अधिकांश वर्तमान 800V इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण योजनाएँ SiC-MOSFET का उपयोग करती हैं।
प्लेटफ़ॉर्म-स्तरीय योजना में शामिल हैंआधुनिक ई-जीएमपी, जीएम ओटेनर्जी - पिकअप क्षेत्र, पोर्श पीपीई, और टेस्ला ईपीए।पोर्श पीपीई प्लेटफॉर्म मॉडल को छोड़कर, जो स्पष्ट रूप से SiC-MOSFET नहीं रखते हैं (पहला मॉडल सिलिका-आधारित IGBT है), अन्य वाहन प्लेटफॉर्म SiC-MOSFET योजनाओं को अपनाते हैं।
यूनिवर्सल अल्ट्रा ऊर्जा मंच
800V मॉडल योजना अधिक है,ग्रेट वॉल सैलून ब्रांड जियागिरोंग, बेइकी पोल फॉक्स एस HI संस्करण, आदर्श कार S01 और W01, ज़ियाओपेंग G9, बीएमडब्ल्यू NK1, चांगआन अवीता ई 11 ने कहा कि यह 800V मंच ले जाएगा, इसके अलावा BYD, लांटू, जीएसी 'एन, मर्सिडीज-बेंज, शून्य रन, एफएडब्ल्यू रेड फ्लैग, वोक्सवैगन ने भी अनुसंधान में 800V प्रौद्योगिकी कहा।
टियर 1 आपूर्तिकर्ताओं द्वारा प्राप्त 800V ऑर्डर की स्थिति से,बोर्गवार्नर, विपाई टेक्नोलॉजी, जेडएफ, यूनाइटेड इलेक्ट्रॉनिक्स और हुईचुआनसभी ने 800V इलेक्ट्रिक ड्राइव ऑर्डर की घोषणा की।
400V वोल्टेज प्लेटफ़ॉर्म
400V वोल्टेज प्लेटफॉर्म में, SiC-MOSFET मुख्य रूप से उच्च शक्ति और शक्ति घनत्व और उच्च दक्षता के विचार में है।
टेस्ला मॉडल 3\Y मोटर, जिसका अब बड़े पैमाने पर उत्पादन हो रहा है, की तरह BYD हानहो मोटर की अधिकतम शक्ति लगभग 200 किलोवाट (टेस्ला 202 किलोवाट, 194 किलोवाट, 220 किलोवाट, BYD 180 किलोवाट) है। NIO भी ET7 और ET5 से शुरू होने वाले SiC-MOSFET उत्पादों का उपयोग करेगा, जिन्हें बाद में सूचीबद्ध किया जाएगा। अधिकतम शक्ति 240 किलोवाट (ET5 210 किलोवाट) है।
इसके अलावा, उच्च दक्षता के दृष्टिकोण से, कुछ उद्यम सहायक फ्लडिंग SiC-MOSFET उत्पादों की व्यवहार्यता का भी पता लगा रहे हैं।
पोस्ट करने का समय: जुलाई-08-2023
