Par rapport aux semi-conducteurs de puissance à base de silicium, les semi-conducteurs de puissance SiC (carbure de silicium) présentent des avantages significatifs en termes de fréquence de commutation, de perte, de dissipation thermique, de miniaturisation, etc.
Avec la production à grande échelle d'onduleurs en carbure de silicium par Tesla, de plus en plus d'entreprises ont également commencé à commercialiser des produits en carbure de silicium.
Le SiC est tellement « incroyable », comment diable a-t-il été fabriqué ? Quelles sont les applications maintenant ? Voyons!
01 ☆ Naissance d'un SiC
Comme les autres semi-conducteurs de puissance, la chaîne industrielle SiC-MOSFET comprendle lien long cristal – substrat – épitaxie – conception – fabrication – packaging.
Cristal long
Au cours de la longue liaison cristalline, contrairement à la préparation de la méthode Tira utilisée par le silicium monocristallin, le carbure de silicium adopte principalement la méthode de transport physique du gaz (PVT, également connue sous le nom de méthode améliorée de sublimation Lly ou graine de cristal), la méthode de dépôt chimique de gaz à haute température ( HTCVD ) suppléments.
☆ Étape principale
1. Matière première solide carbonique ;
2. Après chauffage, le carbure solide devient gazeux ;
3. Le gaz se déplace vers la surface du germe cristallin ;
4. Le gaz se développe à la surface du germe cristallin pour former un cristal.
Source de l'image : « Point technique pour démonter le carbure de silicium à croissance PVT »
Un savoir-faire différent a entraîné deux inconvénients majeurs par rapport à la base en silicium :
Premièrement, la production est difficile et le rendement est faible.La température de la phase gazeuse carbonée croît au-dessus de 2300°C et la pression est de 350MPa. Toute la boîte sombre est réalisée et il est facile de se mélanger aux impuretés. Le rendement est inférieur à celui de la base silicium. Plus le diamètre est grand, plus le rendement est faible.
La seconde est une croissance lente.La gouvernance de la méthode PVT est très lente, la vitesse est d'environ 0,3 à 0,5 mm/h et elle peut croître de 2 cm en 7 jours. Le maximum ne peut croître que de 3 à 5 cm et le diamètre du lingot de cristal est principalement de 4 pouces et 6 pouces.
Le 72H à base de silicium peut atteindre une hauteur de 2 à 3 m, avec des diamètres principalement de 6 pouces et une nouvelle capacité de production de 8 pouces pour 12 pouces.Par conséquent, le carbure de silicium est souvent appelé lingot de cristal et le silicium devient un bâton de cristal.
Lingots de cristaux de carbure de silicium
Substrat
Une fois le long cristal terminé, il entre dans le processus de production du substrat.
Après découpe ciblée, meulage (meulage grossier, meulage fin), polissage (polissage mécanique), polissage d'ultra-précision (polissage mécano-chimique), le substrat en carbure de silicium est obtenu.
Le substrat joue principalementle rôle du support physique, de la conductivité thermique et de la conductivité.La difficulté du traitement est que le matériau en carbure de silicium a des propriétés chimiques élevées, croustillantes et stables. Par conséquent, les méthodes de traitement traditionnelles à base de silicium ne conviennent pas aux substrats en carbure de silicium.
La qualité de l'effet de coupe affecte directement les performances et l'efficacité d'utilisation (coût) des produits en carbure de silicium, il doit donc être petit, d'épaisseur uniforme et de faible coupe.
À l'heure actuelle,4 pouces et 6 pouces utilisent principalement un équipement de coupe multi-lignes,couper les cristaux de silicium en fines tranches d'une épaisseur ne dépassant pas 1 mm.
Diagramme schématique de coupe multiligne
À l'avenir, avec l'augmentation de la taille des tranches de silicium carbonisé, les exigences d'utilisation des matériaux augmenteront et des technologies telles que le découpage au laser et la séparation à froid seront également progressivement appliquées.
En 2018, Infineon a acquis Siltectra GmbH, qui a développé un procédé innovant appelé craquage à froid.
Par rapport à la perte traditionnelle de 1/4 du processus de coupe multifilaire,le processus de craquage à froid n'a perdu que 1/8 du matériau en carbure de silicium.
Extension
Étant donné que le matériau en carbure de silicium ne permet pas de réaliser des dispositifs d'alimentation directement sur le substrat, divers dispositifs sont nécessaires sur la couche d'extension.
Par conséquent, une fois la production du substrat terminée, un film mince monocristallin spécifique est développé sur le substrat via le processus d'extension.
À l’heure actuelle, le procédé de dépôt chimique par gaz (CVD) est principalement utilisé.
Conception
Une fois le substrat réalisé, il entre dans la phase de conception du produit.
Pour les MOSFET, le processus de conception se concentre sur la conception de la rainure,d'une part pour éviter la contrefaçon de brevet(Infineon, Rohm, ST, etc. ont un brevet), et d'autre part àrépondre à la fabricabilité et aux coûts de fabrication.
Fabrication de plaquettes
Une fois la conception du produit terminée, celui-ci entre dans la phase de fabrication des plaquettes,et le processus est à peu près similaire à celui du silicium, qui comporte principalement les 5 étapes suivantes.
☆Étape 1 : Injecter le masque
Une couche de film d'oxyde de silicium (SiO2) est réalisée, la résine photosensible est recouverte, le motif de résine photosensible est formé par les étapes d'homogénéisation, d'exposition, de développement, etc., et la figure est transférée sur le film d'oxyde par le processus de gravure.
☆Étape 2 : Implantation ionique
La plaquette de carbure de silicium masquée est placée dans un implanteur d'ions, où des ions d'aluminium sont injectés pour former une zone de dopage de type P, et recuite pour activer les ions d'aluminium implantés.
Le film d'oxyde est retiré, des ions azote sont injectés dans une région spécifique de la région de dopage de type P pour former une région conductrice de type N du drain et de la source, et les ions azote implantés sont recuits pour les activer.
☆Étape 3 : Créer la grille
Faites la grille. Dans la zone située entre la source et le drain, la couche d'oxyde de grille est préparée par un processus d'oxydation à haute température et la couche d'électrode de grille est déposée pour former la structure de commande de grille.
☆Étape 4 : Création de couches de passivation
Une couche de passivation est créée. Déposez une couche de passivation avec de bonnes caractéristiques d’isolation pour éviter la rupture entre les électrodes.
☆Étape 5 : Fabriquer des électrodes drain-source
Faites un drain et une source. La couche de passivation est perforée et le métal est pulvérisé pour former un drain et une source.
Source photo : Capitale Xinxi
Bien qu'il y ait peu de différence entre le niveau de processus et celui basé sur le silicium, en raison des caractéristiques des matériaux en carbure de silicium,l'implantation ionique et le recuit doivent être effectués dans un environnement à haute température(jusqu'à 1600°C), une température élevée affectera la structure en treillis du matériau lui-même, et la difficulté affectera également le rendement.
De plus, pour les composants MOSFET,la qualité de l'oxygène de porte affecte directement la mobilité du canal et la fiabilité de la porte, car il existe deux types d’atomes de silicium et de carbone dans le matériau en carbure de silicium.
Par conséquent, une méthode spéciale de croissance du milieu de grille est nécessaire (un autre point est que la feuille de carbure de silicium est transparente et que l'alignement de position au stade de photolithographie est difficile pour le silicium).
Une fois la fabrication de la tranche terminée, la puce individuelle est découpée en une puce nue et peut être emballée selon l'usage prévu. Le processus courant pour les appareils discrets est le package TO.
MOSFET CoolSiC™ 650 V en boîtier TO-247
Photo de : Infineon
Le domaine automobile a des exigences élevées en matière de puissance et de dissipation thermique, et il est parfois nécessaire de construire directement des circuits en pont (demi-pont ou pont complet, ou directement conditionnés avec des diodes).
Par conséquent, il est souvent intégré directement dans des modules ou des systèmes. Selon le nombre de puces regroupées dans un seul module, la forme courante est 1 en 1 (BorgWarner), 6 en 1 (Infineon), etc., et certaines entreprises utilisent un schéma parallèle à tube unique.
Vipère Borgwarner
Prend en charge le refroidissement par eau double face et SiC-MOSFET
Modules MOSFET Infineon CoolSiC™
Contrairement au silicium,les modules en carbure de silicium fonctionnent à une température plus élevée, environ 200°C.
La température du point de fusion de la température de soudure tendre traditionnelle est basse et ne peut pas répondre aux exigences de température. Par conséquent, les modules en carbure de silicium utilisent souvent un procédé de soudage par frittage d’argent à basse température.
Une fois le module terminé, il peut être appliqué au système de pièces.
Contrôleur de moteur Tesla Model3
La puce nue provient de ST, d'un package auto-développé et d'un système d'entraînement électrique
☆02 Statut d'application du SiC ?
Dans le domaine automobile, les appareils électriques sont principalement utilisés dansDCDC, OBC, onduleurs de moteur, onduleurs de climatisation électrique, chargement sans fil et autres piècesqui nécessitent une conversion rapide AC/DC (DCDC agit principalement comme un commutateur rapide).
Photo de : BorgWarner
Comparés aux matériaux à base de silicium, les matériaux SIC ont des propriétés plus élevées.intensité du champ critique de déclenchement d'une avalanche(3 × 106 V/cm),meilleure conductivité thermique(49W/mK) etbande interdite plus large(3,26eV).
Plus la bande interdite est large, plus le courant de fuite est faible et plus le rendement est élevé. Plus la conductivité thermique est bonne, plus la densité de courant est élevée. Plus le champ critique de claquage par avalanche est fort, plus la résistance à la tension du dispositif peut être améliorée.
Par conséquent, dans le domaine de la haute tension embarquée, les MOSFET et SBD préparés à partir de matériaux en carbure de silicium pour remplacer la combinaison IGBT et FRD à base de silicium existante peuvent améliorer efficacement la puissance et l'efficacité,en particulier dans les scénarios d'application à haute fréquence pour réduire les pertes de commutation.
À l'heure actuelle, il est très probable qu'il aboutisse à des applications à grande échelle dans les variateurs de moteurs, suivis par l'OBC et le DCDC.
Plateforme de tension 800V
Dans la plate-forme de tension 800 V, l'avantage de la haute fréquence incite les entreprises à choisir la solution SiC-MOSFET. Par conséquent, la plupart des contrôles électroniques actuels de 800 V planifient le SiC-MOSFET.
La planification au niveau de la plateforme comprendE-GMP moderne, GM Otenergy – champ de ramassage, Porsche PPE et Tesla EPA.À l'exception des modèles de plate-forme Porsche PPE qui ne sont pas explicitement équipés de SiC-MOSFET (le premier modèle est un IGBT à base de silice), d'autres plates-formes de véhicules adoptent des schémas SiC-MOSFET.
Plateforme énergétique universelle Ultra
La planification du modèle 800 V est plus,Jiagirong de la marque Great Wall Salon, version Beiqi pole Fox S HI, voiture idéale S01 et W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 a déclaré qu'il transporterait une plate-forme 800V, en plus de BYD, Lantu, GAC'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen a également déclaré la technologie 800V en recherche.
A partir de la situation des commandes de 800 V obtenues par les fournisseurs de niveau 1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics et Huichuantous ont annoncé des commandes de propulsion électrique 800 V.
Plateforme de tension 400V
Dans la plate-forme de tension 400 V, SiC-MOSFET est principalement destiné à prendre en compte une puissance et une densité de puissance élevées et un rendement élevé.
Comme le moteur Tesla Model 3\Y qui est maintenant produit en série, la puissance maximale du moteur BYD Hanhou est d'environ 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW), NIO utilisera également des produits SiC-MOSFET à partir de ET7. et l'ET5 qui sera répertorié plus tard. La puissance maximale est de 240 kW (ET5 210 kW).
De plus, du point de vue du rendement élevé, certaines entreprises explorent également la faisabilité de produits SiC-MOSFET à inondation auxiliaire.
Heure de publication : 08 juillet 2023
