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 « extraordinaire », comment a-t-il été fabriqué ? Quelles sont ses applications actuelles ? Voyons voir !
01 ☆ Naissance d'un SiC
Comme d’autres semi-conducteurs de puissance, la chaîne industrielle SiC-MOSFET comprendle lien long cristal – substrat – épitaxie – conception – fabrication – packaging.
Long cristal
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 de gaz physique (PVT, également connue sous le nom de méthode de sublimation de Lly ou de cristal de germe amélioré), la méthode de dépôt chimique de gaz à haute température (HTVCD) complète.
☆ Étape de base
1. Matière première solide carbonique ;
2. Après chauffage, le carbure solide devient gazeux ;
3. Le gaz se déplace vers la surface du cristal germe ;
4. Le gaz se développe à la surface du cristal germe pour former un cristal.
Source de l'image : « Point technique pour démonter le carbure de silicium à croissance PVT »
La différence de fabrication a entraîné deux inconvénients majeurs par rapport à la base en silicone :
Premièrement, la production est difficile et le rendement est faible.La température de la phase gazeuse à base de carbone dépasse 2 300 °C et la pression atteint 350 MPa. La boîte noire est entièrement traitée et les impuretés peuvent facilement être mélangées. Le rendement est inférieur à celui de la base de silicium. Plus le diamètre est grand, plus le rendement est faible.
Le deuxième est la croissance lente.La méthode PVT est très lente : la vitesse est d'environ 0,3 à 0,5 mm/h et la croissance peut atteindre 2 cm en 7 jours. La croissance maximale n'est que de 3 à 5 cm, et le diamètre du lingot de cristal est généralement de 4 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 cristal de carbure de silicium
Substrat
Une fois le long cristal terminé, il entre dans le processus de production du substrat.
Après une découpe ciblée, un meulage (meulage grossier, meulage fin), un polissage (polissage mécanique), un polissage ultra-précis (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 de traitement réside dans les propriétés chimiques élevées, croustillantes et stables du carbure de silicium. Par conséquent, les méthodes de traitement traditionnelles à base de silicium ne sont pas adaptées 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 est donc nécessaire qu'il soit petit, d'épaisseur uniforme et de faible coupe.
À l'heure actuelle,Les équipements de coupe multilignes de 4 pouces et 6 pouces sont principalement utilisés,découpe de cristaux de silicium en fines tranches d'une épaisseur ne dépassant pas 1 mm.
Schéma de coupe multiligne
À l'avenir, avec l'augmentation de la taille des plaquettes 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 au procédé de découpe multifilaire traditionnel, la perte est de 1/4,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 peut pas fabriquer de dispositifs de puissance 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 grâce au processus d'extension.
À l’heure actuelle, le procédé de dépôt chimique en phase gazeuse (CVD) est principalement utilisé.
Conception
Une fois le substrat fabriqué, on entre dans la phase de conception du produit.
Pour les MOSFET, l’accent du processus de conception est mis sur la conception de la rainure,d'une part pour éviter la violation de brevet(Infineon, Rohm, ST, etc., ont des modèles de brevets), et d'autre part àrépondre aux exigences de fabricabilité et aux coûts de fabrication.
Fabrication de plaquettes
Une fois la conception du produit terminée, on passe à l'étape 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 revêtue, 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 biais du 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, puis recuits 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
Réalisation de la grille. Entre la source et le drain, la couche d'oxyde de grille est préparée par oxydation à haute température, puis la couche d'électrode de grille est déposée pour former la structure de contrôle de grille.
☆Étape 4 : Réalisation des couches de passivation
Une couche de passivation est réalisée. Déposez une couche de passivation présentant de bonnes caractéristiques d'isolation pour éviter le claquage interélectrode.
☆Étape 5 : Fabriquer des électrodes drain-source
Réaliser un drain et une source. La couche de passivation est perforée et du 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 à base de 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 du réseau du matériau lui-même et la difficulté affectera également le rendement.
De plus, pour les composants MOSFET,la qualité de l'oxygène de la grille affecte directement la mobilité du canal et la fiabilité de la grille, car il existe deux types d'atomes de silicium et de carbone dans le matériau en carbure de silicium.
Par conséquent, une méthode de croissance de milieu de grille spéciale est nécessaire (un autre point est que la feuille de carbure de silicium est transparente et que l'alignement de la position à l'étape de photolithographie est difficile à silicium).
Une fois la fabrication de la plaquette terminée, chaque puce est découpée en une puce nue et peut être conditionnée selon l'usage prévu. Le procédé courant pour les dispositifs discrets est le conditionnement TO.
MOSFET CoolSiC™ 650 V en boîtier TO-247
Photo : 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 conditionné directement en modules ou systèmes. Selon le nombre de puces conditionnées dans un module, la forme la plus courante est 1 en 1 (BorgWarner), 6 en 1 (Infineon), etc., et certaines entreprises utilisent un schéma parallèle à tube unique.
Borgwarner Viper
Prend en charge le refroidissement par eau double face et le 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 de fusion des brasures tendres traditionnelles étant basse, elles ne répondent pas aux exigences de température. Par conséquent, les modules en carbure de silicium utilisent souvent le 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, un package développé en interne et un système d'entraînement électrique
☆02 Statut d'application du SiC ?
Dans le domaine automobile, les dispositifs de puissance 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 : BorgWarner
Comparés aux matériaux à base de silicium, les matériaux SIC ont une résistance plus élevéeintensité du champ de rupture d'avalanche critique(3×106V/cm),meilleure conductivité thermique(49 W/mK) etbande interdite plus large(3,26 eV).
Plus la bande interdite est large, plus le courant de fuite est faible et plus le rendement est élevé. Plus la conductivité thermique est élevée, 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 les 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 plus probable que des applications à grande échelle soient réalisées dans les onduleurs de moteur, suivis par l'OBC et le DCDC.
Plateforme de tension 800V
Sur les plateformes de tension 800 V, l'avantage de la haute fréquence incite les entreprises à privilégier les solutions SiC-MOSFET. Par conséquent, la plupart des systèmes de contrôle électronique 800 V actuels sont équipés de 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 plateforme Porsche PPE qui ne sont pas explicitement équipés de SiC-MOSFET (le premier modèle est un IGBT à base de silice), d'autres plateformes de véhicules adoptent des schémas SiC-MOSFET.
Plateforme énergétique universelle Ultra
La planification du modèle 800V est plus,la marque Great Wall Salon Jiagirong, Beiqi pole Fox version S HI, voiture idéale S01 et W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 a déclaré qu'il porterait la plate-forme 800V, en plus de BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen a également déclaré que la technologie 800V était en recherche.
À partir de la situation des commandes de 800 V obtenues par les fournisseurs de niveau 1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics et Huichuantoutes les commandes annoncées de moteurs électriques 800V.
Plateforme de tension 400V
Dans la plate-forme de tension 400 V, le SiC-MOSFET est principalement pris en compte dans la prise en compte de la puissance élevée et de la densité de puissance et du rendement élevé.
À l'instar du moteur Tesla Model 3\Y actuellement produit en série, la puissance de pointe 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 l'ET7 et de l'ET5, qui seront commercialisés ultérieurement. La puissance de pointe est de 240 kW (ET5 210 kW).
De plus, dans une perspective de haute efficacité, certaines entreprises explorent également la faisabilité de produits SiC-MOSFET à inondation auxiliaire.
Date de publication : 08/07/2023
