SiC(탄화규소) 전력반도체는 실리콘 기반 전력반도체에 비해 스위칭 주파수, 손실, 방열, 소형화 등에서 상당한 장점을 갖고 있다.
Tesla가 탄화규소 인버터를 대규모로 생산함에 따라 탄화규소 제품을 판매하는 기업도 늘어나기 시작했습니다.
SiC는 정말 "놀랍다". 도대체 어떻게 만들어졌을까?지금 응용 프로그램은 무엇입니까?보자!
01 ☆ SiC의 탄생
다른 전력 반도체와 마찬가지로 SiC-MOSFET 산업 체인에는 다음이 포함됩니다.긴 크리스탈 - 기판 - 에피택시 - 디자인 - 제조 - 패키징 링크입니다.
긴 크리스탈
긴 결정 링크 동안 단결정 실리콘에서 사용되는 Tira 방법의 준비와 달리 탄화 규소는 주로 물리적 가스 운송 방법 (PVT, 향상된 Lly 또는 종자 결정 승화 방법이라고도 함), 고온 화학 가스 증착 방법 (HTCVD)을 채택합니다. ) 보충제.
☆ 코어스텝
1. 탄산 고체 원료;
2. 가열 후 탄화물 고체는 가스가 됩니다.
3. 가스가 종자정 표면으로 이동합니다.
4. 종자결정 표면에 가스가 성장하여 결정이 됩니다.
사진 출처 : “PVT 성장 실리콘 카바이드 분해 기술 포인트”
서로 다른 장인 정신으로 인해 실리콘 베이스에 비해 두 가지 주요 단점이 발생했습니다.
첫째, 생산이 어렵고 수율이 낮다.탄소 기반 기상의 온도는 2300°C 이상으로 성장하고 압력은 350MPa입니다.다크박스 전체가 진행되어 불순물이 섞이기 쉽습니다.수율은 실리콘 베이스보다 낮습니다.직경이 클수록 수율은 낮아집니다.
두 번째는 느린 성장이다.PVT 방식의 거버넌스는 매우 느리고 속도는 약 0.3~0.5mm/h이며 7일 만에 2cm 성장할 수 있습니다.최대 성장은 3~5cm에 불과하며, 결정괴의 직경은 대부분 4인치와 6인치이다.
실리콘 기반 72H는 높이 2~3m까지 성장할 수 있으며 직경은 대부분 6인치, 12인치는 8인치 신규 생산 능력을 갖췄다.따라서 탄화 규소는 종종 결정 주괴라고 불리며 규소는 결정 막대가됩니다.
초경 실리콘 결정 잉곳
기판
긴 결정이 완성되면 기판 생산 공정에 들어갑니다.
목표 절단, 연삭(황삭, 미세 연삭), 연마(기계적 연마), 초정밀 연마(화학 기계적 연마)를 거쳐 탄화규소 기판을 얻습니다.
기판은 주로 재생물리적 지지, 열전도도 및 전도성의 역할.가공의 어려움은 탄화 규소 소재가 높고 바삭하며 화학적 특성이 안정적이라는 것입니다.따라서 전통적인 실리콘 기반 처리 방법은 탄화규소 기판에 적합하지 않습니다.
절삭효과의 품질은 탄화규소 제품의 성능과 활용효율(비용)에 직접적인 영향을 미치기 때문에 작고 균일한 두께와 낮은 절삭력이 요구됩니다.
현재,4인치와 6인치는 주로 다열 절단 장비를 사용하며,실리콘 결정을 두께가 1mm 이하인 얇은 조각으로 절단합니다.
다중 라인 절단 개략도
앞으로는 탄화실리콘웨이퍼의 크기가 커짐에 따라 재료 활용 요구사항도 높아질 것이며, 레이저 슬라이싱, 냉분리 등의 기술도 점진적으로 적용될 예정이다.
2018년에 Infineon은 냉간 균열이라는 혁신적인 공정을 개발한 Siltectra GmbH를 인수했습니다.
기존의 다중 와이어 절단 공정 손실이 1/4에 비해,냉간 균열 공정에서는 탄화규소 재료의 1/8만 손실되었습니다.
확대
탄화규소 소재는 기판 위에서 직접 파워소자를 만들 수 없기 때문에 확장층에는 다양한 소자가 필요하다.
따라서, 기판 제작이 완료된 후, 연신 공정을 통해 기판 위에 특정 단결정 박막이 성장하게 된다.
현재는 화학가스증착법(CVD) 공정이 주로 사용되고 있다.
설계
기판이 제작되면 제품 설계 단계에 들어갑니다.
MOSFET의 경우 설계 프로세스의 초점은 홈 설계이며,한편으로는 특허 침해를 피하기 위해(Infineon, Rohm, ST 등에는 특허 레이아웃이 있습니다.)제조 가능성과 제조 비용을 충족합니다.
웨이퍼 제조
제품 설계가 완료되면 웨이퍼 제조 단계에 들어가며,프로세스는 실리콘 프로세스와 거의 유사하며 주로 다음과 같은 5단계로 구성됩니다.
☆1단계: 마스크 주입
실리콘산화막(SiO2)막을 만들고, 포토레지스트를 코팅하고, 균질화, 노광, 현상 등의 단계를 거쳐 포토레지스트 패턴을 형성하고, 식각 공정을 거쳐 산화막에 형상을 전사하는 과정을 거친다.
☆2단계: 이온 주입
마스킹된 탄화규소 웨이퍼는 이온 주입기에 배치되며, 여기에서 알루미늄 이온이 주입되어 P형 도핑 영역을 형성하고 어닐링되어 주입된 알루미늄 이온을 활성화합니다.
산화막을 제거한 후, P형 도핑 영역의 특정 영역에 질소 이온을 주입하여 드레인과 소스의 N형 전도성 영역을 형성하고, 주입된 질소 이온을 어닐링하여 활성화시킵니다.
☆3단계: 그리드 만들기
그리드를 만드세요.소스와 드레인 사이 영역에는 고온 산화 공정을 통해 게이트 산화막을 준비하고, 게이트 전극층을 증착하여 게이트 제어 구조를 형성한다.
☆4단계: 패시베이션 레이어 만들기
패시베이션층이 만들어집니다.전극 간 파손을 방지하기 위해 절연 특성이 좋은 보호층을 증착합니다.
☆5단계: 드레인 소스 전극 만들기
드레인과 소스를 만듭니다.패시베이션 층은 천공되고 금속은 스퍼터링되어 드레인과 소스를 형성합니다.
사진 출처: Xinxi Capital
탄화규소 소재의 특성상 공정수준과 실리콘 기반의 차이는 거의 없으나,이온 주입 및 어닐링은 고온 환경에서 수행되어야 함(최대 1600 ° C) 고온은 재료 자체의 격자 구조에 영향을 미치며 난이도는 수율에도 영향을 미칩니다.
또한, MOSFET 부품의 경우,게이트 산소의 품질은 채널 이동성과 게이트 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다., 탄화 규소 재료에는 두 종류의 규소와 탄소 원자가 있기 때문입니다.
따라서 특수한 게이트 미디엄 성장 방식이 필요하다(또 다른 점은 탄화규소 시트가 투명해 포토리소그래피 단계에서 위치 정렬이 어렵다는 점이다).
웨이퍼 제조가 완료된 후, 개별 칩을 베어칩으로 절단하여 목적에 맞게 패키징할 수 있습니다.개별 장치의 일반적인 프로세스는 TO 패키지입니다.
TO-247 패키지로 제공되는 650V CoolSiC™ MOSFET
사진: 인피니언
자동차 분야는 높은 전력 및 방열 요구 사항을 갖고 있으며 때로는 브리지 회로(하프 브리지 또는 풀 브리지 또는 다이오드와 직접 패키지)를 직접 구축해야 하는 경우도 있습니다.
따라서 모듈이나 시스템에 직접 패키지되는 경우가 많습니다.단일 모듈에 패키징되는 칩 수에 따라 일반적인 형태는 1 in 1(보그워너), 6 in 1(인피니언) 등이며, 일부 업체에서는 단일 튜브 병렬 방식을 사용한다.
보그워너 바이퍼
양면 수냉 및 SiC-MOSFET 지원
Infineon CoolSiC™ MOSFET 모듈
실리콘과 달리탄화규소 모듈은 약 200°C의 더 높은 온도에서 작동합니다.
기존의 연납 온도 융점 온도가 낮아 온도 요구 사항을 충족할 수 없습니다.따라서 탄화규소 모듈은 저온 은소결 용접 공정을 사용하는 경우가 많습니다.
모듈이 완성되면 부품 시스템에 적용할 수 있습니다.
Tesla Model3 모터 컨트롤러
베어 칩은 자체 개발한 패키지와 전기 구동 시스템인 ST에서 제공됩니다.
☆02 SiC의 적용현황은?
자동차 분야에서는 전력소자가 주로 사용됩니다.DCDC, OBC, 모터 인버터, 전기 공조 인버터, 무선 충전 및 기타 부품AC/DC 빠른 변환이 필요한 경우(DCDC는 주로 빠른 스위치 역할을 함)
사진: 보그워너
실리콘 기반 재료와 비교하여 SIC 재료는 더 높은임계 눈사태 항복 전계 강도(3×106V/cm),더 나은 열전도율(49W/mK) 및더 넓은 밴드 갭(3.26eV).
밴드 갭이 넓을수록 누설 전류는 작아지고 효율은 높아집니다.열전도도가 좋을수록 전류밀도는 높아집니다.임계 애벌런치 항복 필드가 강할수록 장치의 전압 저항이 향상될 수 있습니다.
따라서 온보드 고전압 분야에서 기존의 실리콘 기반 IGBT와 FRD 조합을 대체하기 위해 실리콘 카바이드 소재로 제조된 MOSFET 및 SBD는 전력 및 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있으며,특히 고주파 애플리케이션 시나리오에서는 스위칭 손실을 줄입니다.
현재 모터 인버터에서 대규모 애플리케이션을 달성할 가능성이 가장 높으며 OBC와 DCDC가 그 뒤를 따릅니다.
800V 전압 플랫폼
800V 전압 플랫폼에서는 고주파의 이점으로 인해 기업이 SiC-MOSFET 솔루션을 선택하는 경향이 더 커졌습니다.따라서 현재 800V 전자 제어 계획의 대부분은 SiC-MOSFET입니다.
플랫폼 수준 계획에는 다음이 포함됩니다.최신 E-GMP, GM Otenergy – 픽업 필드, Porsche PPE 및 Tesla EPA.SiC-MOSFET을 명시적으로 탑재하지 않은 Porsche PPE 플랫폼 모델(첫 번째 모델은 실리카 기반 IGBT)을 제외하고 다른 차량 플랫폼은 SiC-MOSFET 방식을 채택합니다.
유니버설 울트라 에너지 플랫폼
800V 모델 기획은 그 이상,만리장성 살롱 브랜드 Jiagirong, Beiqi 극 Fox S HI 버전, 이상적인 자동차 S01 및 W01, Xiaopeng G9, BMW NK1Changan Avita E11은 BYD, Lantu, GAC'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag 외에도 800V 플랫폼을 탑재할 것이라고 밝혔으며 폭스바겐도 연구에 800V 기술을 적용한다고 밝혔습니다.
Tier1 공급업체에서 800V 주문을 받은 상황에서,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics 및 Huichuan모두 800V 전기 드라이브 주문을 발표했습니다.
400V 전압 플랫폼
400V 전압 플랫폼에서 SiC-MOSFET는 주로 높은 전력 및 전력 밀도와 고효율을 고려합니다.
현재 양산되고 있는 Tesla Model 3\Y 모터와 같이 BYD Hanhou 모터의 피크 출력은 약 200Kw(Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw)이며 NIO도 ET7부터 SiC-MOSFET 제품을 사용할 예정입니다. 그리고 나중에 나열될 ET5입니다.피크 전력은 240Kw(ET5 210Kw)입니다.
또한 일부 기업에서는 고효율의 관점에서 보조 침수 SiC-MOSFET 제품의 타당성을 탐색하고 있습니다.
게시 시간: 2023년 7월 8일