सिलिकॉन-आधारित पावर सेमीकंडक्टर्स की तुलना में, SiC (सिलिकॉन कार्बाइड) पावर सेमीकंडक्टर्स में आवृत्ति, हानि, गर्मी लंपटता, लघुकरण आदि को स्विच करने में महत्वपूर्ण फायदे हैं।
टेस्ला द्वारा सिलिकॉन कार्बाइड इनवर्टर के बड़े पैमाने पर उत्पादन के साथ, अधिक कंपनियों ने भी सिलिकॉन कार्बाइड उत्पादों को उतारना शुरू कर दिया है।
SiC इतना "अद्भुत" है, इसे कैसे बनाया गया?अब क्या हैं आवेदन?चलो देखते हैं!
01 ☆ एक SiC का जन्म
अन्य विद्युत अर्धचालकों की तरह, SiC-MOSFET उद्योग श्रृंखला में शामिल हैंलंबा क्रिस्टल - सब्सट्रेट - एपिटेक्सी - डिज़ाइन - विनिर्माण - पैकेजिंग लिंक।
लंबा क्रिस्टल
लंबे क्रिस्टल लिंक के दौरान, एकल क्रिस्टल सिलिकॉन द्वारा उपयोग की जाने वाली टीरा विधि की तैयारी के विपरीत, सिलिकॉन कार्बाइड मुख्य रूप से भौतिक गैस परिवहन विधि (पीवीटी, जिसे बेहतर लिली या बीज क्रिस्टल उर्ध्वपातन विधि के रूप में भी जाना जाता है), उच्च तापमान रासायनिक गैस जमाव विधि (एचटीसीवीडी) को अपनाता है। ) पूरक.
☆ मुख्य कदम
1. कार्बोनिक ठोस कच्चा माल;
2. गर्म करने के बाद कार्बाइड ठोस गैस बन जाता है;
3. गैस बीज क्रिस्टल की सतह पर चलती है;
4. गैस बीज क्रिस्टल की सतह पर क्रिस्टल में विकसित होती है।
चित्र स्रोत: "पीवीटी ग्रोथ सिलिकॉन कार्बाइड को अलग करने के लिए तकनीकी बिंदु"
अलग-अलग शिल्प कौशल ने सिलिकॉन बेस की तुलना में दो बड़े नुकसान पैदा किए हैं:
सबसे पहले, उत्पादन कठिन है और उपज कम है।कार्बन-आधारित गैस चरण का तापमान 2300 डिग्री सेल्सियस से ऊपर हो जाता है और दबाव 350MPa होता है।पूरा डार्क बॉक्स बाहर किया जाता है, और अशुद्धियों में मिश्रण करना आसान होता है।उपज सिलिकॉन बेस से कम है।व्यास जितना बड़ा होगा, उपज उतनी ही कम होगी।
दूसरा है धीमी वृद्धि.पीवीटी विधि का शासन 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 बढ़ सकता है, और क्रिस्टल पिंड का व्यास अधिकतर 4 इंच और 6 इंच होता है।
सिलिकॉन-आधारित 72H 2-3 मीटर की ऊंचाई तक बढ़ सकता है, जिसका व्यास अधिकतर 6 इंच है और 12 इंच के लिए 8 इंच की 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
लंबा क्रिस्टल पूरा होने के बाद, यह सब्सट्रेट की उत्पादन प्रक्रिया में प्रवेश करता है।
लक्षित कटिंग, ग्राइंडिंग (रफ ग्राइंडिंग, फाइन ग्राइंडिंग), पॉलिशिंग (मैकेनिकल पॉलिशिंग), अल्ट्रा-प्रिसिजन पॉलिशिंग (रासायनिक मैकेनिकल पॉलिशिंग) के बाद, सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट प्राप्त होता है।
सब्सट्रेट मुख्य रूप से खेलता हैभौतिक समर्थन, तापीय चालकता और चालकता की भूमिका।प्रसंस्करण की कठिनाई यह है कि सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री रासायनिक गुणों में उच्च, कुरकुरी और स्थिर होती है।इसलिए, पारंपरिक सिलिकॉन-आधारित प्रसंस्करण विधियां 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 मल्टी-लाइन कटिंग उपकरण का उपयोग करते हैं,सिलिकॉन क्रिस्टल को 1 मिमी से अधिक मोटाई के पतले स्लाइस में काटना।
मल्टी-लाइन कटिंग 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 के रूप में जानी जाने वाली एक अभिनव प्रक्रिया विकसित की।
पारंपरिक बहु-तार काटने की प्रक्रिया की तुलना में 1/4 का नुकसान होता है,कोल्ड क्रैकिंग प्रक्रिया में सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री का केवल 1/8 भाग नष्ट हुआ।
विस्तार
चूंकि सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री सीधे सब्सट्रेट पर बिजली उपकरण नहीं बना सकती है, 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 उगाई 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, डिज़ाइन प्रक्रिया का फोकस खांचे का डिज़ाइन है,एक ओर पेटेंट उल्लंघन से बचने के लिए(इन्फीनॉन, रोहम, एसटी, आदि के पास पेटेंट लेआउट है), और दूसरी ओरविनिर्माण क्षमता और विनिर्माण लागत को पूरा करें।
वेफर निर्माण
उत्पाद का डिज़ाइन पूरा होने के बाद, यह वेफर विनिर्माण चरण में प्रवेश करता है,और यह प्रक्रिया लगभग सिलिकॉन के समान है, जिसमें मुख्य रूप से निम्नलिखित 5 चरण 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 समरूपीकरण, एक्सपोज़र, विकास आदि चरणों के माध्यम से बनाया जाता है, और आकृति को नक़्क़ाशी 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 एल्यूमीनियम आयनों को पी-टाइप डोपिंग ज़ोन बनाने के लिए इंजेक्ट किया जाता है, और प्रत्यारोपित एल्यूमीनियम आयनों को सक्रिय करने के लिए एनील्ड किया जाता है।
ऑक्साइड फिल्म को हटा दिया जाता है, नाइट्रोजन आयनों को नाली और स्रोत के एन-प्रकार प्रवाहकीय क्षेत्र बनाने के लिए पी-प्रकार डोपिंग क्षेत्र के एक विशिष्ट क्षेत्र में इंजेक्ट किया जाता है, और प्रत्यारोपित नाइट्रोजन आयनों को सक्रिय करने के लिए एनील्ड किया जाता है।
☆ चरण 3: ग्रिड बनाएं
ग्रिड बनाओ.स्रोत और नाली के बीच के क्षेत्र में, गेट ऑक्साइड परत उच्च तापमान ऑक्सीकरण प्रक्रिया द्वारा तैयार की जाती है, और गेट नियंत्रण संरचना बनाने के लिए गेट इलेक्ट्रोड परत जमा की जाती है।
☆ चरण 4: निष्क्रियता परतें बनाना
पैसिवेशन लेयर बनाई गई है.इंटरइलेक्ट्रोड टूटने को रोकने के लिए अच्छे इन्सुलेशन विशेषताओं के साथ एक निष्क्रियता परत जमा करें।
☆ चरण 5: ड्रेन-सोर्स इलेक्ट्रोड बनाएं
नाली एवं स्त्रोत बनायें।निष्क्रियता परत को छिद्रित किया जाता है और नाली और स्रोत बनाने के लिए धातु को छिड़का जाता है।
फोटो स्रोत: शिनक्सी कैपिटल
यद्यपि सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री की विशेषताओं के कारण प्रक्रिया स्तर और सिलिकॉन आधारित के बीच थोड़ा अंतर है,आयन आरोपण और एनीलिंग को उच्च तापमान वाले वातावरण में करने की आवश्यकता होती है(1600 डिग्री सेल्सियस तक), उच्च तापमान सामग्री की जाली संरचना को प्रभावित करेगा, और कठिनाई उपज को भी प्रभावित करेगी।
इसके अलावा, MOSFET घटकों के लिए,गेट ऑक्सीजन की गुणवत्ता सीधे चैनल की गतिशीलता और गेट की विश्वसनीयता को प्रभावित करती है, क्योंकि सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री में दो प्रकार के सिलिकॉन और कार्बन परमाणु होते हैं।
इसलिए, एक विशेष गेट माध्यम विकास विधि की आवश्यकता है (दूसरा 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, व्यक्तिगत चिप को एक नंगे चिप में काट दिया जाता है और उद्देश्य के अनुसार पैक किया जा सकता है।असतत उपकरणों के लिए सामान्य प्रक्रिया TO पैकेज है।
TO-247 पैकेज में 650V CoolSiC™ MOSFETs
फोटो: इन्फिनियोन
ऑटोमोटिव क्षेत्र में उच्च शक्ति और गर्मी अपव्यय आवश्यकताएं होती हैं, और कभी-कभी सीधे ब्रिज सर्किट (आधा ब्रिज या पूरा ब्रिज, या सीधे डायोड के साथ पैक) बनाना आवश्यक होता है।
इसलिए, इसे अक्सर सीधे मॉड्यूल या सिस्टम में पैक किया जाता है।एकल मॉड्यूल में पैक किए गए चिप्स की संख्या के अनुसार, सामान्य रूप 1 इन 1 (बोर्गवार्नर), 6 इन 1 (इन्फ़िनॉन), आदि है, और कुछ कंपनियां एकल-ट्यूब समानांतर योजना का उपयोग करती हैं।
बोर्गवार्नर वाइपर
दो तरफा जल शीतलन और SiC-MOSFET का समर्थन करता है
Infineon CoolSiC™ MOSFET मॉड्यूल
सिलिकॉन के विपरीत,सिलिकॉन कार्बाइड मॉड्यूल लगभग 200 डिग्री सेल्सियस के उच्च तापमान पर काम करते हैं।
पारंपरिक नरम सोल्डर तापमान पिघलने बिंदु तापमान कम है, तापमान आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकता।इसलिए, सिलिकॉन कार्बाइड मॉड्यूल अक्सर कम तापमान वाली सिल्वर सिंटरिंग वेल्डिंग प्रक्रिया का उपयोग करते हैं।
मॉड्यूल पूरा होने के बाद, इसे पार्ट्स सिस्टम पर लागू किया जा सकता है।
टेस्ला मॉडल3 मोटर नियंत्रक
बेयर चिप एसटी, स्व-विकसित पैकेज और इलेक्ट्रिक ड्राइव सिस्टम से आती है
☆02 SiC के आवेदन की स्थिति?
ऑटोमोटिव क्षेत्र में, बिजली उपकरणों का मुख्य रूप से उपयोग किया जाता हैडीसीडीसी, ओबीसी, मोटर इनवर्टर, इलेक्ट्रिक एयर कंडीशनिंग इनवर्टर, वायरलेस चार्जिंग और अन्य भागजिसके लिए AC/DC तेज़ रूपांतरण की आवश्यकता होती है (DCDC मुख्य रूप से तेज़ स्विच के रूप में कार्य करता है)।
फोटो: बोर्गवार्नर
सिलिकॉन-आधारित सामग्रियों की तुलना में, एसआईसी सामग्री अधिक हैमहत्वपूर्ण हिमस्खलन ब्रेकडाउन क्षेत्र की ताकत(3×106V/सेमी),बेहतर तापीय चालकता(49W/mK) औरव्यापक बैंड गैप(3.26eV).
बैंड गैप जितना चौड़ा होगा, लीकेज करंट उतना ही कम होगा और दक्षता उतनी ही अधिक होगी।तापीय चालकता जितनी बेहतर होगी, धारा घनत्व उतना ही अधिक होगा।क्रिटिकल हिमस्खलन ब्रेकडाउन क्षेत्र जितना मजबूत होगा, डिवाइस के वोल्टेज प्रतिरोध में सुधार किया जा 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 ढंग 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 प्लेटफार्म
800V वोल्टेज प्लेटफ़ॉर्म में, उच्च आवृत्ति का लाभ उद्यमों को SiC-MOSFET समाधान चुनने के लिए अधिक इच्छुक बनाता है।इसलिए, वर्तमान में अधिकांश 800V इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण योजना SiC-MOSFET है।
प्लेटफ़ॉर्म-स्तरीय योजना में शामिल हैंआधुनिक ई-जीएमपी, जीएम ओटनेर्जी - पिकअप फील्ड, पोर्श पीपीई, और टेस्ला ईपीए।पॉर्श पीपीई प्लेटफ़ॉर्म मॉडल को छोड़कर, जिनमें स्पष्ट रूप से SiC-MOSFET नहीं है (पहला मॉडल सिलिका-आधारित IGBT है), अन्य वाहन प्लेटफ़ॉर्म SiC-MOSFET योजनाओं को अपनाते हैं।
यूनिवर्सल अल्ट्रा एनर्जी प्लेटफॉर्म
800V मॉडल योजना अधिक है,ग्रेट वॉल सैलून ब्रांड जियागिरॉन्ग, बेइकी पोल फॉक्स एस HI संस्करण, आदर्श कार S01 और W01, ज़ियाओपेंग G9, बीएमडब्ल्यू NK1, चंगान एविटा ई11 ने कहा कि यह 800V प्लेटफॉर्म ले जाएगा, इसके अलावा BYD, Lantu, GAC'an, मर्सिडीज-बेंज, जीरो रन, FAW रेड फ्लैग, वोक्सवैगन ने भी अनुसंधान में 800V तकनीक की बात कही है।
टियर1 आपूर्तिकर्ताओं द्वारा प्राप्त 800V ऑर्डर की स्थिति से,बोर्गवार्नर, विपाई टेक्नोलॉजी, जेडएफ, यूनाइटेड इलेक्ट्रॉनिक्स, और हुइचुआनसभी ने 800V इलेक्ट्रिक ड्राइव ऑर्डर की घोषणा की।
400V वोल्टेज प्लेटफार्म
400V वोल्टेज प्लेटफॉर्म में, SiC-MOSFET मुख्य रूप से उच्च शक्ति और शक्ति घनत्व और उच्च दक्षता पर विचार करता है।
जैसे कि टेस्ला मॉडल 3\Y मोटर जिसका अब बड़े पैमाने पर उत्पादन किया गया है, BYD हानहौ मोटर की अधिकतम शक्ति लगभग 200Kw (टेस्ला 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw) है, NIO ET7 से शुरू होने वाले SiC-MOSFET उत्पादों का भी उपयोग करेगा। और ET5 जिसे बाद में सूचीबद्ध किया जाएगा।अधिकतम शक्ति 240Kw (ET5 210Kw) है।
इसके अलावा, उच्च दक्षता के दृष्टिकोण से, कुछ उद्यम सहायक बाढ़ SiC-MOSFET उत्पादों की व्यवहार्यता भी तलाश रहे हैं।
पोस्ट समय: जुलाई-08-2023