સિલિકોન-આધારિત પાવર સેમિકન્ડક્ટર્સની તુલનામાં, SiC (સિલિકોન કાર્બાઇડ) પાવર સેમિકન્ડક્ટર્સ સ્વિચિંગ ફ્રીક્વન્સી, નુકશાન, ગરમીનું વિસર્જન, લઘુચિત્રીકરણ વગેરેમાં નોંધપાત્ર ફાયદા ધરાવે છે.
ટેસ્લા દ્વારા સિલિકોન કાર્બાઇડ ઇન્વર્ટરના મોટા પાયે ઉત્પાદન સાથે, વધુ કંપનીઓએ સિલિકોન કાર્બાઇડ ઉત્પાદનો પણ બજારમાં મૂકવાનું શરૂ કર્યું છે.
SiC ખૂબ જ "અદ્ભુત" છે, તે કેવી રીતે બનાવવામાં આવ્યું? હવે તેના ઉપયોગો શું છે? ચાલો જોઈએ!
01 ☆ એક SiC નો જન્મ
અન્ય પાવર સેમિકન્ડક્ટર્સની જેમ, SiC-MOSFET ઉદ્યોગ શૃંખલામાં શામેલ છેલાંબો સ્ફટિક - સબસ્ટ્રેટ - એપિટાક્સી - ડિઝાઇન - ઉત્પાદન - પેકેજિંગ લિંક.
લાંબો સ્ફટિક
લાંબી સ્ફટિક લિંક દરમિયાન, સિંગલ ક્રિસ્ટલ સિલિકોન દ્વારા ઉપયોગમાં લેવાતી ટિરા પદ્ધતિની તૈયારીથી વિપરીત, સિલિકોન કાર્બાઇડ મુખ્યત્વે ભૌતિક ગેસ પરિવહન પદ્ધતિ (PVT, જેને સુધારેલ Lly અથવા બીજ સ્ફટિક સબલાઈમેશન પદ્ધતિ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે), ઉચ્ચ તાપમાન રાસાયણિક ગેસ ડિપોઝિશન પદ્ધતિ (HTCVD) પૂરક અપનાવે છે.
☆ મુખ્ય પગલું
1. કાર્બનિક ઘન કાચો માલ;
2. ગરમ કર્યા પછી, કાર્બાઇડ ઘન વાયુમાં ફેરવાય છે;
3. ગેસ બીજ સ્ફટિકની સપાટી પર જાય છે;
૪. બીજ સ્ફટિકની સપાટી પર વાયુ વધે છે અને સ્ફટિકમાં ફેરવાય છે.
ચિત્ર સ્ત્રોત: “PVT ગ્રોથ સિલિકોન કાર્બાઇડને ડિસએસેમ્બલ કરવાનો ટેકનિકલ મુદ્દો”
સિલિકોન બેઝની તુલનામાં અલગ અલગ કારીગરીને કારણે બે મોટા ગેરફાયદા થયા છે:
પ્રથમ, ઉત્પાદન મુશ્કેલ છે અને ઉપજ ઓછી છે.કાર્બન-આધારિત ગેસ તબક્કાનું તાપમાન 2300 ° સે થી ઉપર વધે છે અને દબાણ 350MPa છે. આખું ડાર્ક બોક્સ બહાર કાઢવામાં આવે છે, અને તે અશુદ્ધિઓમાં ભળી જવાનું સરળ છે. ઉપજ સિલિકોન બેઝ કરતા ઓછી છે. વ્યાસ જેટલો મોટો, તેટલો ઓછો ઉપજ.
બીજું ધીમી વૃદ્ધિ છે.PVT પદ્ધતિનું સંચાલન ખૂબ જ ધીમું છે, ગતિ લગભગ 0.3-0.5mm/h છે, અને તે 7 દિવસમાં 2cm વધી શકે છે. મહત્તમ ફક્ત 3-5cm વધી શકે છે, અને સ્ફટિક પિંડનો વ્યાસ મોટે ભાગે 4 ઇંચ અને 6 ઇંચ છે.
સિલિકોન-આધારિત 72H 2-3 મીટરની ઊંચાઈ સુધી વધી શકે છે, જેનો વ્યાસ મોટે ભાગે 6 ઇંચ અને 8 ઇંચ હશે, જે 12 ઇંચ માટે નવી ઉત્પાદન ક્ષમતા ધરાવે છે.તેથી, સિલિકોન કાર્બાઇડને ઘણીવાર ક્રિસ્ટલ ઇન્ગોટ કહેવામાં આવે છે, અને સિલિકોન સ્ફટિક લાકડી બની જાય છે.
કાર્બાઇડ સિલિકોન ક્રિસ્ટલ ઇંગોટ્સ
સબસ્ટ્રેટ
લાંબા સ્ફટિક પૂર્ણ થયા પછી, તે સબસ્ટ્રેટની ઉત્પાદન પ્રક્રિયામાં પ્રવેશ કરે છે.
લક્ષિત કટીંગ, ગ્રાઇન્ડીંગ (રફ ગ્રાઇન્ડીંગ, ફાઇન ગ્રાઇન્ડીંગ), પોલિશિંગ (મિકેનિકલ પોલિશિંગ), અલ્ટ્રા-પ્રિસિઝન પોલિશિંગ (કેમિકલ મિકેનિકલ પોલિશિંગ) પછી, સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટ મેળવવામાં આવે છે.
સબસ્ટ્રેટ મુખ્યત્વે ભૂમિકા ભજવે છેભૌતિક આધાર, થર્મલ વાહકતા અને વાહકતાની ભૂમિકા.પ્રક્રિયા કરવાની મુશ્કેલી એ છે કે સિલિકોન કાર્બાઇડ સામગ્રી ઉચ્ચ, કડક અને રાસાયણિક ગુણધર્મોમાં સ્થિર છે. તેથી, પરંપરાગત સિલિકોન-આધારિત પ્રક્રિયા પદ્ધતિઓ સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટ માટે યોગ્ય નથી.
કટીંગ ઇફેક્ટની ગુણવત્તા સિલિકોન કાર્બાઇડ ઉત્પાદનોના પ્રદર્શન અને ઉપયોગ કાર્યક્ષમતા (કિંમત) પર સીધી અસર કરે છે, તેથી તે નાની, સમાન જાડાઈ અને ઓછી કટીંગ હોવી જરૂરી છે.
હાલમાં,4-ઇંચ અને 6-ઇંચ મુખ્યત્વે મલ્ટી-લાઇન કટીંગ સાધનોનો ઉપયોગ કરે છે,સિલિકોન સ્ફટિકોને 1 મીમીથી વધુ જાડાઈવાળા પાતળા ટુકડાઓમાં કાપવા.
મલ્ટી-લાઇન કટીંગ સ્કીમેટિક ડાયાગ્રામ
ભવિષ્યમાં, કાર્બનાઇઝ્ડ સિલિકોન વેફરના કદમાં વધારો થવાથી, સામગ્રીના ઉપયોગની જરૂરિયાતોમાં વધારો થશે, અને લેસર સ્લાઇસિંગ અને કોલ્ડ સેપરેશન જેવી તકનીકો પણ ધીમે ધીમે લાગુ કરવામાં આવશે.
2018 માં, ઇન્ફિનેને સિલ્ટેક્રા જીએમબીએચ હસ્તગત કરી, જેણે કોલ્ડ ક્રેકીંગ તરીકે ઓળખાતી નવીન પ્રક્રિયા વિકસાવી.
પરંપરાગત મલ્ટી-વાયર કટીંગ પ્રક્રિયાના 1/4 નુકસાનની તુલનામાં,કોલ્ડ ક્રેકીંગ પ્રક્રિયામાં સિલિકોન કાર્બાઇડ સામગ્રીનો માત્ર 1/8 ભાગ જ ગુમાવ્યો.
વિસ્તરણ
સિલિકોન કાર્બાઇડ સામગ્રી સબસ્ટ્રેટ પર સીધા પાવર ડિવાઇસ બનાવી શકતી નથી, તેથી એક્સટેન્શન લેયર પર વિવિધ ડિવાઇસની જરૂર પડે છે.
તેથી, સબસ્ટ્રેટનું ઉત્પાદન પૂર્ણ થયા પછી, વિસ્તરણ પ્રક્રિયા દ્વારા સબસ્ટ્રેટ પર એક ચોક્કસ સિંગલ ક્રિસ્ટલ પાતળી ફિલ્મ ઉગાડવામાં આવે છે.
હાલમાં, મુખ્યત્વે રાસાયણિક ગેસ ડિપોઝિશન પદ્ધતિ (CVD) પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ થાય છે.
ડિઝાઇન
સબસ્ટ્રેટ બન્યા પછી, તે ઉત્પાદન ડિઝાઇન તબક્કામાં પ્રવેશ કરે છે.
MOSFET માટે, ડિઝાઇન પ્રક્રિયાનું કેન્દ્રબિંદુ ખાંચની ડિઝાઇન છે,એક તરફ પેટન્ટ ઉલ્લંઘન ટાળવા માટે(ઇન્ફિનિયોન, રોહમ, એસટી, વગેરે પાસે પેટન્ટ લેઆઉટ છે), અને બીજી બાજુઉત્પાદનક્ષમતા અને ઉત્પાદન ખર્ચને પહોંચી વળવા.
વેફર ફેબ્રિકેશન
ઉત્પાદન ડિઝાઇન પૂર્ણ થયા પછી, તે વેફર ઉત્પાદન તબક્કામાં પ્રવેશ કરે છે,અને આ પ્રક્રિયા લગભગ સિલિકોન જેવી જ છે, જેમાં મુખ્યત્વે નીચેના 5 પગલાં છે.
☆પગલું ૧: માસ્ક ઇન્જેક્ટ કરો
સિલિકોન ઓક્સાઇડ (SiO2) ફિલ્મનો એક સ્તર બનાવવામાં આવે છે, ફોટોરેઝિસ્ટ કોટેડ કરવામાં આવે છે, ફોટોરેઝિસ્ટ પેટર્ન એકરૂપીકરણ, એક્સપોઝર, વિકાસ, વગેરેના પગલાઓ દ્વારા બનાવવામાં આવે છે, અને એચિંગ પ્રક્રિયા દ્વારા આકૃતિને ઓક્સાઇડ ફિલ્મમાં સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવે છે.
☆પગલું 2: આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન
માસ્ક્ડ સિલિકોન કાર્બાઇડ વેફરને આયન ઇમ્પ્લાન્ટરમાં મૂકવામાં આવે છે, જ્યાં પી-ટાઇપ ડોપિંગ ઝોન બનાવવા માટે એલ્યુમિનિયમ આયનોને ઇન્જેક્ટ કરવામાં આવે છે, અને ઇમ્પ્લાન્ટેડ એલ્યુમિનિયમ આયનોને સક્રિય કરવા માટે એનિલ કરવામાં આવે છે.
ઓક્સાઇડ ફિલ્મ દૂર કરવામાં આવે છે, નાઇટ્રોજન આયનોને પી-ટાઇપ ડોપિંગ પ્રદેશના ચોક્કસ પ્રદેશમાં ઇન્જેક્ટ કરવામાં આવે છે જેથી ડ્રેઇન અને સ્ત્રોતનો N-ટાઇપ વાહક પ્રદેશ બને, અને ઇમ્પ્લાન્ટેડ નાઇટ્રોજન આયનોને સક્રિય કરવા માટે એનિલ કરવામાં આવે છે.
☆પગલું 3: ગ્રીડ બનાવો
ગ્રીડ બનાવો. સ્ત્રોત અને ડ્રેઇન વચ્ચેના વિસ્તારમાં, ગેટ ઓક્સાઇડ સ્તર ઉચ્ચ તાપમાન ઓક્સિડેશન પ્રક્રિયા દ્વારા તૈયાર કરવામાં આવે છે, અને ગેટ ઇલેક્ટ્રોડ સ્તર ગેટ નિયંત્રણ માળખું બનાવવા માટે જમા કરવામાં આવે છે.
☆પગલું 4: પેસિવેશન લેયર બનાવવા
પેસિવેશન લેયર બનાવવામાં આવે છે. ઇન્ટરઇલેક્ટ્રોડ બ્રેકડાઉન અટકાવવા માટે સારી ઇન્સ્યુલેશન લાક્ષણિકતાઓ ધરાવતું પેસિવેશન લેયર જમા કરો.
☆પગલું 5: ડ્રેઇન-સોર્સ ઇલેક્ટ્રોડ બનાવો
ડ્રેઇન અને સ્ત્રોત બનાવો. પેસિવેશન સ્તર છિદ્રિત છે અને ધાતુને છાંટા મારીને ડ્રેઇન અને સ્ત્રોત બનાવવામાં આવે છે.
ફોટો સ્ત્રોત: Xinxi કેપિટલ
સિલિકોન કાર્બાઇડ સામગ્રીની લાક્ષણિકતાઓને કારણે, પ્રક્રિયા સ્તર અને સિલિકોન આધારિત વચ્ચે બહુ ઓછો તફાવત હોવા છતાં,આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન અને એનેલીંગ ઉચ્ચ તાપમાનવાળા વાતાવરણમાં કરવાની જરૂર છે(૧૬૦૦ ° સે સુધી), ઉચ્ચ તાપમાન સામગ્રીની જાળીની રચનાને અસર કરશે, અને મુશ્કેલી ઉપજને પણ અસર કરશે.
વધુમાં, MOSFET ઘટકો માટે,ગેટ ઓક્સિજનની ગુણવત્તા ચેનલ ગતિશીલતા અને ગેટ વિશ્વસનીયતાને સીધી અસર કરે છે., કારણ કે સિલિકોન કાર્બાઇડ સામગ્રીમાં બે પ્રકારના સિલિકોન અને કાર્બન પરમાણુ હોય છે.
તેથી, એક ખાસ ગેટ માધ્યમ વૃદ્ધિ પદ્ધતિ જરૂરી છે (બીજો મુદ્દો એ છે કે સિલિકોન કાર્બાઇડ શીટ પારદર્શક છે, અને ફોટોલિથોગ્રાફી તબક્કે સ્થિતિ ગોઠવણી સિલિકોન માટે મુશ્કેલ છે).
વેફરનું ઉત્પાદન પૂર્ણ થયા પછી, વ્યક્તિગત ચિપને એકદમ ચિપમાં કાપવામાં આવે છે અને હેતુ અનુસાર પેક કરી શકાય છે. અલગ ઉપકરણો માટે સામાન્ય પ્રક્રિયા TO પેકેજ છે.
TO-247 પેકેજમાં 650V CoolSiC™ MOSFETs
ફોટો: ઇન્ફિનિયોન
ઓટોમોટિવ ક્ષેત્રમાં ઉચ્ચ શક્તિ અને ગરમીના વિસર્જનની આવશ્યકતાઓ હોય છે, અને કેટલીકવાર સીધા જ બ્રિજ સર્કિટ (અડધો પુલ અથવા સંપૂર્ણ પુલ, અથવા ડાયોડ સાથે સીધા પેક કરેલા) બનાવવા જરૂરી હોય છે.
તેથી, તે ઘણીવાર સીધા મોડ્યુલો અથવા સિસ્ટમોમાં પેક કરવામાં આવે છે. એક મોડ્યુલમાં પેક કરેલી ચિપ્સની સંખ્યા અનુસાર, સામાન્ય સ્વરૂપ 1 માં 1 (બોર્ગવોર્નર), 6 માં 1 (ઇન્ફિનિયોન), વગેરે છે, અને કેટલીક કંપનીઓ સિંગલ-ટ્યુબ સમાંતર યોજનાનો ઉપયોગ કરે છે.
બોર્ગવોર્નર વાઇપર
ડબલ-સાઇડેડ વોટર કૂલિંગ અને SiC-MOSFET ને સપોર્ટ કરે છે
Infineon CoolSiC™ MOSFET મોડ્યુલ્સ
સિલિકોનથી વિપરીત,સિલિકોન કાર્બાઇડ મોડ્યુલ લગભગ 200 ° સે ઊંચા તાપમાને કાર્ય કરે છે.
પરંપરાગત સોફ્ટ સોલ્ડર તાપમાન ગલનબિંદુ તાપમાન ઓછું હોય છે, તાપમાનની જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરી શકતું નથી. તેથી, સિલિકોન કાર્બાઇડ મોડ્યુલો ઘણીવાર નીચા-તાપમાનવાળા સિલ્વર સિન્ટરિંગ વેલ્ડીંગ પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ કરે છે.
મોડ્યુલ પૂર્ણ થયા પછી, તેને ભાગો સિસ્ટમ પર લાગુ કરી શકાય છે.
ટેસ્લા મોડેલ3 મોટર કંટ્રોલર
આ બેર ચિપ ST, સ્વ-વિકસિત પેકેજ અને ઇલેક્ટ્રિક ડ્રાઇવ સિસ્ટમમાંથી આવે છે.
☆02 SiC ની અરજીની સ્થિતિ?
ઓટોમોટિવ ક્ષેત્રમાં, પાવર ડિવાઇસનો ઉપયોગ મુખ્યત્વે થાય છેડીસીડીસી, ઓબીસી, મોટર ઇન્વર્ટર, ઇલેક્ટ્રિક એર કન્ડીશનીંગ ઇન્વર્ટર, વાયરલેસ ચાર્જિંગ અને અન્ય ભાગોજેને AC/DC ઝડપી રૂપાંતરની જરૂર હોય છે (DCDC મુખ્યત્વે ઝડપી સ્વીચ તરીકે કાર્ય કરે છે).
ફોટો: બોર્ગવોર્નર
સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીની તુલનામાં, SIC સામગ્રીમાં વધુ હોય છેમહત્વપૂર્ણ હિમપ્રપાત ભંગાણ ક્ષેત્ર શક્તિ(૩×૧૦૬V/સે.મી.),સારી થર્મલ વાહકતા(49W/mK) અનેપહોળો બેન્ડ ગેપ(૩.૨૬ ઇવી).
બેન્ડ ગેપ જેટલો પહોળો હશે, લિકેજ કરંટ ઓછો હશે અને કાર્યક્ષમતા એટલી જ વધારે હશે. થર્મલ વાહકતા જેટલી સારી હશે, કરંટ ઘનતા એટલી જ વધારે હશે. ક્રિટિકલ હિમપ્રપાત બ્રેકડાઉન ફિલ્ડ જેટલું મજબૂત હશે, ઉપકરણનો વોલ્ટેજ પ્રતિકાર સુધારી શકાય છે.
તેથી, ઓન-બોર્ડ હાઇ વોલ્ટેજના ક્ષેત્રમાં, હાલના સિલિકોન-આધારિત IGBT અને FRD સંયોજનને બદલવા માટે સિલિકોન કાર્બાઇડ સામગ્રી દ્વારા તૈયાર કરાયેલ MOSFETs અને SBD અસરકારક રીતે શક્તિ અને કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરી શકે છે,ખાસ કરીને ઉચ્ચ આવર્તન એપ્લિકેશન દૃશ્યોમાં સ્વિચિંગ નુકસાન ઘટાડવા માટે.
હાલમાં, મોટર ઇન્વર્ટરમાં મોટા પાયે એપ્લિકેશનો પ્રાપ્ત થવાની સંભાવના છે, ત્યારબાદ OBC અને DCDC આવે છે.
800V વોલ્ટેજ પ્લેટફોર્મ
800V વોલ્ટેજ પ્લેટફોર્મમાં, ઉચ્ચ આવર્તનનો ફાયદો સાહસોને SiC-MOSFET સોલ્યુશન પસંદ કરવા માટે વધુ વલણ આપે છે. તેથી, મોટાભાગના વર્તમાન 800V ઇલેક્ટ્રોનિક નિયંત્રણ આયોજન SiC-MOSFET છે.
પ્લેટફોર્મ-સ્તરના આયોજનમાં શામેલ છેઆધુનિક E-GMP, GM ઓટનર્જી - પિકઅપ ફીલ્ડ, પોર્શ PPE, અને ટેસ્લા EPA.પોર્શ PPE પ્લેટફોર્મ મોડેલો સિવાય જે સ્પષ્ટપણે SiC-MOSFET (પ્રથમ મોડેલ સિલિકા-આધારિત IGBT) વહન કરતા નથી, અન્ય વાહન પ્લેટફોર્મ SiC-MOSFET યોજનાઓ અપનાવે છે.
યુનિવર્સલ અલ્ટ્રા એનર્જી પ્લેટફોર્મ
800V મોડેલ પ્લાનિંગ વધુ છે,ગ્રેટ વોલ સલૂન બ્રાન્ડ જિયાગીરોંગ, બેઇકી પોલ ફોક્સ એસ HI વર્ઝન, આદર્શ કાર S01 અને W01, ઝિયાઓપેંગ G9, BMW NK1, ચાંગન અવિતા E11 એ જણાવ્યું હતું કે તે 800V પ્લેટફોર્મ ધરાવશે, BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag ઉપરાંત, Volkswagen એ પણ જણાવ્યું હતું કે 800V ટેકનોલોજી સંશોધનમાં છે.
Tier1 સપ્લાયર્સ દ્વારા મેળવેલા 800V ઓર્ડરની પરિસ્થિતિમાંથી,બોર્ગવોર્નર, વિપાઈ ટેકનોલોજી, ઝેડએફ, યુનાઇટેડ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ અને હુઇચુઆનબધા જાહેર કરાયેલા 800V ઇલેક્ટ્રિક ડ્રાઇવ ઓર્ડર.
400V વોલ્ટેજ પ્લેટફોર્મ
400V વોલ્ટેજ પ્લેટફોર્મમાં, SiC-MOSFET મુખ્યત્વે ઉચ્ચ શક્તિ અને પાવર ઘનતા અને ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાને ધ્યાનમાં લે છે.
જેમ કે ટેસ્લા મોડેલ 3\Y મોટર જેનું મોટા પાયે ઉત્પાદન કરવામાં આવ્યું છે, BYD Hanhou મોટરની ટોચની શક્તિ લગભગ 200Kw છે (ટેસ્લા 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO ET7 થી શરૂ થતા SiC-MOSFET ઉત્પાદનો અને પછી સૂચિબદ્ધ કરવામાં આવનાર ET5 નો પણ ઉપયોગ કરશે. ટોચની શક્તિ 240Kw (ET5 210Kw) છે.
વધુમાં, ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાના દ્રષ્ટિકોણથી, કેટલાક સાહસો સહાયક પૂર SiC-MOSFET ઉત્પાદનોની શક્યતા પણ શોધી રહ્યા છે.
પોસ્ટ સમય: જુલાઈ-૦૮-૨૦૨૩
