સિલિકોન-આધારિત પાવર સેમિકન્ડક્ટર્સની તુલનામાં, SiC (સિલિકોન કાર્બાઇડ) પાવર સેમિકન્ડક્ટર્સને સ્વિચિંગ ફ્રીક્વન્સી, નુકશાન, ગરમીનું વિસર્જન, લઘુચિત્રીકરણ વગેરેમાં નોંધપાત્ર ફાયદા છે.
ટેસ્લા દ્વારા સિલિકોન કાર્બાઇડ ઇન્વર્ટરના મોટા પાયે ઉત્પાદન સાથે, વધુ કંપનીઓએ પણ સિલિકોન કાર્બાઇડ પ્રોડક્ટ્સ ઉતારવાનું શરૂ કર્યું છે.
SiC ખૂબ "અદ્ભુત" છે, તે પૃથ્વી પર કેવી રીતે બનાવવામાં આવ્યું હતું?હવે અરજીઓ શું છે?જોઈએ!
01 ☆ એક SiC નો જન્મ
અન્ય પાવર સેમિકન્ડક્ટર્સની જેમ, SIC-MOSFET ઉદ્યોગ સાંકળનો સમાવેશ થાય છેલાંબા સ્ફટિક - સબસ્ટ્રેટ - એપિટાક્સી - ડિઝાઇન - ઉત્પાદન - પેકેજિંગ લિંક.
લાંબા સ્ફટિક
લાંબી ક્રિસ્ટલ લિંક દરમિયાન, સિંગલ ક્રિસ્ટલ સિલિકોન દ્વારા ઉપયોગમાં લેવાતી તિરા પદ્ધતિની તૈયારીથી વિપરીત, સિલિકોન કાર્બાઇડ મુખ્યત્વે ભૌતિક ગેસ પરિવહન પદ્ધતિ (PVT, જેને સુધારેલ Lly અથવા બીજ ક્રિસ્ટલ સબલિમેશન પદ્ધતિ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે), ઉચ્ચ તાપમાન રાસાયણિક ગેસ ડિપોઝિશન પદ્ધતિ (HTCVD) અપનાવે છે. ) પૂરક.
☆ મુખ્ય પગલું
1. કાર્બનિક ઘન કાચો માલ;
2. ગરમ કર્યા પછી, કાર્બાઇડ ઘન ગેસ બની જાય છે;
3. બીજ સ્ફટિકની સપાટી પર ગેસ ખસેડો;
4. બીજ સ્ફટિકની સપાટી પર ગેસ સ્ફટિકમાં વધે છે.
ચિત્ર સ્ત્રોત: "PVT વૃદ્ધિ સિલિકોન કાર્બાઇડને ડિસએસેમ્બલ કરવા માટે તકનીકી બિંદુ"
સિલિકોન બેઝની તુલનામાં વિવિધ કારીગરીઓએ બે મોટા ગેરફાયદા ઉભી કર્યા છે:
પ્રથમ, ઉત્પાદન મુશ્કેલ છે અને ઉપજ ઓછી છે.કાર્બન આધારિત ગેસ તબક્કાનું તાપમાન 2300 ° સે ઉપર વધે છે અને દબાણ 350MPa છે.સમગ્ર ડાર્ક બોક્સ હાથ ધરવામાં આવે છે, અને તે અશુદ્ધિઓમાં ભળવું સરળ છે.ઉપજ સિલિકોન આધાર કરતાં ઓછી છે.વ્યાસ જેટલો મોટો, ઉપજ ઓછી.
બીજું ધીમી વૃદ્ધિ છે.PVT પદ્ધતિનું સંચાલન ખૂબ જ ધીમું છે, ઝડપ લગભગ 0.3-0.5mm/h છે, અને તે 7 દિવસમાં 2cm વધી શકે છે.મહત્તમ માત્ર 3-5cm સુધી વધી શકે છે, અને ક્રિસ્ટલ ઇન્ગોટનો વ્યાસ મોટે ભાગે 4 ઇંચ અને 6 ઇંચ હોય છે.
સિલિકોન-આધારિત 72H 2-3m ની ઊંચાઈ સુધી વધી શકે છે, જેમાં મોટાભાગે 6 ઇંચનો વ્યાસ અને 12 ઇંચ માટે 8-ઇંચની નવી ઉત્પાદન ક્ષમતા છે.તેથી, સિલિકોન કાર્બાઇડને ઘણીવાર ક્રિસ્ટલ ઇન્ગોટ કહેવામાં આવે છે, અને સિલિકોન એક સ્ફટિક લાકડી બની જાય છે.
કાર્બાઇડ સિલિકોન ક્રિસ્ટલ ઇન્ગોટ્સ
સબસ્ટ્રેટ
લાંબા સ્ફટિક પૂર્ણ થયા પછી, તે સબસ્ટ્રેટની ઉત્પાદન પ્રક્રિયામાં પ્રવેશ કરે છે.
લક્ષિત કટિંગ, ગ્રાઇન્ડીંગ (રફ ગ્રાઇન્ડીંગ, ફાઇન ગ્રાઇન્ડીંગ), પોલિશિંગ (મિકેનિકલ પોલિશિંગ), અલ્ટ્રા-પ્રિસિઝન પોલિશિંગ (કેમિકલ મિકેનિકલ પોલિશિંગ) પછી, સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટ મેળવવામાં આવે છે.
સબસ્ટ્રેટ મુખ્યત્વે ભજવે છેભૌતિક આધાર, થર્મલ વાહકતા અને વાહકતાની ભૂમિકા.પ્રોસેસિંગની 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 ઉત્પાદનોની કામગીરી અને ઉપયોગની કાર્યક્ષમતા (કિંમત) પર સીધી અસર કરે છે, તેથી તે નાની, સમાન જાડાઈ અને ઓછી કટીંગ હોવી જરૂરી છે.
અત્યારે,4-ઇંચ અને 6-ઇંચ મુખ્યત્વે મલ્ટિ-લાઇન કટીંગ સાધનોનો ઉપયોગ કરે છે,સિલિકોન સ્ફટિકોને પાતળા સ્લાઇસેસમાં કાપીને જેની જાડાઈ 1mm કરતાં વધુ ન હોય.
મલ્ટી-લાઇન કટીંગ યોજનાકીય ડાયાગ્રામ
ભવિષ્યમાં, કાર્બનાઇઝ્ડ સિલિકોન વેફર્સના કદમાં વધારો થવા સાથે, સામગ્રીના ઉપયોગની જરૂરિયાતોમાં વધારો થશે, અને લેસર સ્લાઇસિંગ અને કોલ્ડ સેપરેશન જેવી તકનીકો પણ ધીમે ધીમે લાગુ કરવામાં આવશે.
2018 માં, Infineon સિલ્ટેક્ટ્રા GmbH હસ્તગત કર્યું, જેણે કોલ્ડ ક્રેકીંગ તરીકે ઓળખાતી નવીન પ્રક્રિયા વિકસાવી.
પરંપરાગત મલ્ટી-વાયર કટીંગ પ્રક્રિયાની સરખામણીમાં 1/4 ના નુકશાન,કોલ્ડ ક્રેકીંગ પ્રક્રિયાએ સિલિકોન કાર્બાઇડ સામગ્રીનો માત્ર 1/8 ભાગ ગુમાવ્યો.
વિસ્તરણ
સિલિકોન કાર્બાઇડ સામગ્રી સબસ્ટ્રેટ પર સીધા પાવર ઉપકરણો બનાવી શકતી નથી, તેથી વિસ્તરણ સ્તર પર વિવિધ ઉપકરણોની જરૂર છે.
તેથી, સબસ્ટ્રેટનું ઉત્પાદન પૂર્ણ થયા પછી, વિસ્તરણ પ્રક્રિયા દ્વારા સબસ્ટ્રેટ પર ચોક્કસ સિંગલ ક્રિસ્ટલ પાતળી ફિલ્મ ઉગાડવામાં આવે છે.
હાલમાં, રાસાયણિક ગેસ ડિપોઝિશન પદ્ધતિ (CVD) પ્રક્રિયાનો મુખ્યત્વે ઉપયોગ થાય છે.
ડિઝાઇન
સબસ્ટ્રેટ બનાવ્યા પછી, તે ઉત્પાદન ડિઝાઇનના તબક્કામાં પ્રવેશ કરે છે.
MOSFET માટે, ડિઝાઇન પ્રક્રિયાનું ધ્યાન ગ્રુવની ડિઝાઇન છે,એક તરફ પેટન્ટ ઉલ્લંઘન ટાળવા માટે(Infineon, Rohm, ST, વગેરે, પેટન્ટ લેઆઉટ ધરાવે છે), અને બીજી તરફઉત્પાદનક્ષમતા અને ઉત્પાદન ખર્ચને પહોંચી વળો.
વેફર ફેબ્રિકેશન
ઉત્પાદન ડિઝાઇન પૂર્ણ થયા પછી, તે વેફર ઉત્પાદન તબક્કામાં પ્રવેશ કરે છે,અને પ્રક્રિયા લગભગ સિલિકોન જેવી જ છે, જેમાં મુખ્યત્વે નીચેના 5 પગલાં છે.
☆પગલું 1: માસ્ક ઇન્જેક્ટ કરો
સિલિકોન ઓક્સાઇડ (SiO2) ફિલ્મનો એક સ્તર બનાવવામાં આવે છે, ફોટોરેસિસ્ટ કોટેડ હોય છે, ફોટોરેસિસ્ટ પેટર્ન એકરૂપીકરણ, એક્સપોઝર, ડેવલપમેન્ટ, વગેરેના પગલાઓ દ્વારા રચાય છે અને આકૃતિને એચિંગ પ્રક્રિયા દ્વારા ઓક્સાઇડ ફિલ્મમાં સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવે છે.
☆ પગલું 2: આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન
માસ્ક કરેલ સિલિકોન કાર્બાઇડ વેફરને આયન ઇમ્પ્લાન્ટરમાં મૂકવામાં આવે છે, જ્યાં એલ્યુમિનિયમ આયનોને પી-ટાઇપ ડોપિંગ ઝોન બનાવવા માટે ઇન્જેક્ટ કરવામાં આવે છે, અને ઇમ્પ્લાન્ટેડ એલ્યુમિનિયમ આયનોને સક્રિય કરવા માટે એન્નીલ 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 એન-ટાઇપ વાહક પ્રદેશ બનાવવામાં આવે, અને રોપાયેલા 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 રચવા માટે જમા કરવામાં આવે છે.
☆પગલું 4: પેસિવેશન લેયર્સ બનાવવું
પેસિવેશન લેયર બનાવવામાં આવે છે.ઈન્ટરઈલેક્ટ્રોડના ભંગાણને રોકવા માટે સારી ઈન્સ્યુલેશન લાક્ષણિકતાઓ સાથે પેસિવેશન લેયર જમા કરો.
☆પગલું 5: ડ્રેઇન-સોર્સ ઇલેક્ટ્રોડ બનાવો
ડ્રેઇન અને સ્ત્રોત બનાવો.પેસિવેશન લેયર છિદ્રિત હોય છે અને ધાતુ ડ્રેઇન અને સ્ત્રોત બને છે.
ફોટો સ્ત્રોત: Xinxi કેપિટલ
સિલિકોન કાર્બાઇડ સામગ્રીની લાક્ષણિકતાઓને કારણે, પ્રક્રિયા સ્તર અને સિલિકોન આધારિત વચ્ચે થોડો તફાવત હોવા છતાં,આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન અને એનેલીંગ ઊંચા તાપમાનના વાતાવરણમાં કરવાની જરૂર છે(1600 ° સે સુધી), ઉચ્ચ તાપમાન સામગ્રીની જાળીની રચનાને અસર કરશે, અને મુશ્કેલી ઉપજને પણ અસર કરશે.
વધુમાં, MOSFET ઘટકો માટે,ગેટ ઓક્સિજનની ગુણવત્તા ચેનલની ગતિશીલતા અને દરવાજાની વિશ્વસનીયતાને સીધી અસર કરે છે, કારણ કે સિલિકોન કાર્બાઇડ સામગ્રીમાં બે પ્રકારના સિલિકોન અને કાર્બન અણુઓ છે.
તેથી, એક ખાસ ગેટ મીડીયમ ગ્રોથ મેથડ જરૂરી છે (બીજો મુદ્દો એ છે કે સિલિકોન કાર્બાઈડ શીટ પારદર્શક છે, અને ફોટોલિથોગ્રાફી સ્ટેજ પર પોઝિશન એલાઈનમેન્ટ 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 માટેની સામાન્ય પ્રક્રિયા TO પેકેજ છે.
TO-247 પેકેજમાં 650V CoolSiC™ MOSFETs
ફોટો: Infineon
ઓટોમોટિવ ફિલ્ડમાં ઉચ્ચ શક્તિ અને ગરમીના વિસર્જનની આવશ્યકતાઓ હોય છે, અને કેટલીકવાર તે સીધા જ બ્રિજ સર્કિટ (અડધો બ્રિજ અથવા સંપૂર્ણ પુલ, અથવા ડાયોડ સાથે સીધો પેક) બનાવવા માટે જરૂરી છે.
તેથી, તે ઘણીવાર સીધા મોડ્યુલો અથવા સિસ્ટમોમાં પેક કરવામાં આવે છે.એક જ મોડ્યુલમાં પેક કરેલી ચિપ્સની સંખ્યા અનુસાર, સામાન્ય સ્વરૂપ 1 માં 1 (બોર્ગવાર્નર), 6 માં 1 (ઈન્ફિનોન) વગેરે છે, અને કેટલીક કંપનીઓ સિંગલ-ટ્યુબ સમાંતર યોજનાનો ઉપયોગ કરે છે.
બોર્ગવર્નર વાઇપર
ડબલ-સાઇડ વોટર કૂલિંગ અને SiC-MOSFET ને સપોર્ટ કરે છે
Infineon CoolSiC™ MOSFET મોડ્યુલ્સ
સિલિકોનથી વિપરીત,સિલિકોન કાર્બાઇડ મોડ્યુલ્સ ઊંચા તાપમાને કામ કરે છે, લગભગ 200 ° સે.
પરંપરાગત સોફ્ટ સોલ્ડર તાપમાન ગલનબિંદુ તાપમાન ઓછું છે, તાપમાન જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરી શકતું નથી.તેથી, સિલિકોન કાર્બાઇડ મોડ્યુલો ઘણીવાર નીચા-તાપમાન સિલ્વર સિન્ટરિંગ વેલ્ડીંગ પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ કરે છે.
મોડ્યુલ પૂર્ણ થયા પછી, તે ભાગો સિસ્ટમ પર લાગુ કરી શકાય છે.
ટેસ્લા મોડલ 3 મોટર નિયંત્રક
એકદમ ચિપ ST, સ્વ-વિકસિત પેકેજ અને ઇલેક્ટ્રિક ડ્રાઇવ સિસ્ટમમાંથી આવે છે
☆02 SiC ની અરજીની સ્થિતિ?
ઓટોમોટિવ ક્ષેત્રમાં, પાવર ઉપકરણોનો મુખ્યત્વે ઉપયોગ થાય છેDCDC, OBC, મોટર ઇન્વર્ટર, ઇલેક્ટ્રિક એર કન્ડીશનીંગ ઇન્વર્ટર, વાયરલેસ ચાર્જિંગ અને અન્ય ભાગોજેને AC/DC ફાસ્ટ કન્વર્ઝનની જરૂર હોય છે (DCDC મુખ્યત્વે ફાસ્ટ સ્વીચ તરીકે કામ કરે છે).
ફોટો: BorgWarner
સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીની તુલનામાં, SIC સામગ્રીઓ વધારે છેગંભીર હિમપ્રપાત ભંગાણ ક્ષેત્રની તાકાત(3×106V/cm),વધુ સારી થર્મલ વાહકતા(49W/mK) અનેવિશાળ બેન્ડ ગેપ(3.26eV).
બેન્ડ ગેપ જેટલો વિશાળ છે, તેટલો નાનો લિકેજ વર્તમાન અને કાર્યક્ષમતા વધારે છે.થર્મલ વાહકતા વધુ સારી, વર્તમાન ઘનતા વધારે છે.ક્રિટિકલ હિમપ્રપાત બ્રેકડાઉન ક્ષેત્ર જેટલું મજબૂત છે, ઉપકરણની 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 કરવામાં આવેલ MOSFETs અને SBD અસરકારક રીતે પાવર અને કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરી શકે છે,ખાસ કરીને ઉચ્ચ આવર્તન એપ્લિકેશન દૃશ્યોમાં સ્વિચિંગ નુકસાન ઘટાડવા માટે.
હાલમાં, મોટર ઇન્વર્ટરમાં મોટા પાયે એપ્લીકેશન હાંસલ કરવાની સૌથી વધુ સંભાવના છે, ત્યારબાદ OBC અને DCDC આવે છે.
800V વોલ્ટેજ પ્લેટફોર્મ
800V વોલ્ટેજ પ્લેટફોર્મમાં, ઉચ્ચ આવર્તનનો ફાયદો એન્ટરપ્રાઇઝને SiC-MOSFET સોલ્યુશન પસંદ કરવા માટે વધુ વલણ બનાવે છે.તેથી, મોટા ભાગના વર્તમાન 800V ઇલેક્ટ્રોનિક નિયંત્રણ આયોજન SiC-MOSFET.
પ્લેટફોર્મ સ્તરના આયોજનમાં સમાવેશ થાય છેઆધુનિક E-GMP, GM Otenergy – પિકઅપ ફીલ્ડ, પોર્શ PPE અને ટેસ્લા EPA.SIC-MOSFET (પ્રથમ મૉડલ સિલિકા-આધારિત IGBT છે) સ્પષ્ટપણે વહન કરતા નથી તેવા પોર્શ PPE પ્લેટફોર્મ મૉડલ્સ સિવાય, અન્ય વાહન પ્લેટફોર્મ SiC-MOSFET સ્કીમ અપનાવે છે.
યુનિવર્સલ અલ્ટ્રા એનર્જી પ્લેટફોર્મ
800V મોડલ પ્લાનિંગ વધુ છે,ગ્રેટ વોલ સલૂન બ્રાન્ડ જિઆગીરોંગ, બેઇકી પોલ ફોક્સ એસ એચઆઇ વર્ઝન, આદર્શ કાર S01 અને W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 જણાવ્યું હતું કે તે 800V પ્લેટફોર્મ વહન કરશે, BYD ઉપરાંત, Lantu, GAC 'an, મર્સિડીઝ-બેન્ઝ, શૂન્ય રન, FAW રેડ ફ્લેગ, ફોક્સવેગન પણ સંશોધનમાં 800V ટેકનોલોજી જણાવ્યું હતું.
Tier1 સપ્લાયર્સ દ્વારા મેળવેલ 800V ઓર્ડરની પરિસ્થિતિમાંથી,BorgWarner, Wipai ટેકનોલોજી, ZF, યુનાઈટેડ ઈલેક્ટ્રોનિક્સ, અને Huichuanબધાએ 800V ઇલેક્ટ્રીક ડ્રાઇવ ઓર્ડરની જાહેરાત કરી.
400V વોલ્ટેજ પ્લેટફોર્મ
400V વોલ્ટેજ પ્લેટફોર્મમાં, SiC-MOSFET મુખ્યત્વે ઉચ્ચ શક્તિ અને પાવર ઘનતા અને ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાના વિચારણામાં છે.
જેમ કે ટેસ્લા મોડલ 3\Y મોટર જે હવે મોટા પાયે ઉત્પાદિત કરવામાં આવી છે, BYD Hanhou મોટરની પીક પાવર લગભગ 200Kw છે (ટેસ્લા 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO પણ SiC-MOSFET7 ઉત્પાદનોનો ઉપયોગ કરશે. અને ET5 કે જે પછીથી સૂચિબદ્ધ થશે.પીક પાવર 240Kw (ET5 210Kw) છે.
વધુમાં, ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાના પરિપ્રેક્ષ્યમાં, કેટલાક સાહસો SIC-MOSFET ઉત્પાદનોની સહાયક પૂરની શક્યતાઓ પણ શોધી રહ્યા છે.
પોસ્ટ સમય: જુલાઈ-08-2023