SiC voor efficiëntere stroomapparaten en -systemen

1. Inleiding: De SiC-revolutie in vermogenselektronica

De wereld van de vermogenselektronica ondergaat een aanzienlijke transformatie, gedreven door de niet aflatende zoektocht naar hogere efficiëntie, grotere vermogensdichtheid en verbeterde betrouwbaarheid. Aan de frontlinie van deze revolutie staat siliciumcarbide (SiC), een halfgeleidermateriaal met een brede bandgap dat klaar staat om traditioneel silicium (Si) te vervangen in een breed scala aan veeleisende toepassingen. In tegenstelling tot conventioneel silicium biedt SiC superieure materiaaleigenschappen die zich direct vertalen in tastbare prestatievoordelen voor vermogensapparaten en de systemen die ze mogelijk maken. Deze voordelen omvatten een hogere elektrische veldsterkte, een grotere thermische geleidbaarheid en een bredere bandgap-energie. Hierdoor kunnen op SiC gebaseerde vermogensapparaten werken bij hogere spanningen, temperaturen en schakelfrequenties met aanzienlijk minder verliezen.

Aangepaste siliciumcarbideproducten worden steeds essentiëler naarmate industrieën van de auto-industrie tot hernieuwbare energie de grenzen van de prestaties willen verleggen. De mogelijkheid om SiC-componenten af te stemmen op specifieke toepassingsvereisten ontsluit nieuwe niveaus van efficiëntie en innovatie. Voor ingenieurs, inkoopmanagers en technische kopers is het begrijpen van de nuances van SiC-technologie cruciaal voor het nemen van weloverwogen beslissingen die kunnen leiden tot concurrentievoordelen en baanbrekende productontwikkeling. Deze blogpost duikt in de wereld van SiC voor vermogensapparaten en onderzoekt de toepassingen, voordelen, ontwerpoverwegingen en het belang van het selecteren van de juiste productiepartner voor uw aangepaste SiC-behoeften. Naarmate de vraag naar hoogwaardige vermogenshalfgeleiders groeit, is SiC niet langer een nichemateriaal, maar een hoeksteen van de volgende generatie vermogenselektronica.

2. Kern-toepassingen: Waar SiC-vermogensapparaten uitblinken

De uitzonderlijke eigenschappen van siliciumcarbide hebben de weg vrijgemaakt voor de toepassing ervan in een breed scala aan vermogenselektronische toepassingen, met name waar hoge efficiëntie, vermogensdichtheid en robuuste werking van cruciaal belang zijn. Industrieën die profiteren van SiC-vermogensapparaatintegratie zijn onder meer:

• Productie van halfgeleiders: SiC wordt niet alleen gebruikt als basismateriaal voor de vermogensapparaten zelf, maar ook in apparatuur die wordt gebruikt voor de fabricage van halfgeleiders, zoals componenten voor waferbehandeling en onderdelen voor proceskamers bij hoge temperaturen, vanwege de zuiverheid en thermische stabiliteit.
• Automotive: Elektrische voertuigen (EV's) en hybride elektrische voertuigen (HEV's) zijn belangrijke drijfveren voor de adoptie van SiC. SiC MOSFET's en diodes worden gebruikt in hoofdomvormers, boordladers (OBC's) en DC-DC-omvormers, wat leidt tot een groter bereik, sneller opladen en een lager voertuiggewicht.
• Lucht- en ruimtevaart & Defensie: SiC-componenten zijn ideaal voor vermogenssystemen in vliegtuigen, satellieten en defensietoepassingen vanwege hun hoge temperatuurtolerantie, stralingshardheid en lichtgewicht potentieel, wat bijdraagt aan meer elektrische vliegtuig (MEA)-initiatieven en robuuste militaire hardware.
• Productie van vermogenselektronica: Deze sector maakt breed gebruik van SiC voor het creëren van geavanceerde vermogensmodules, ononderbroken voedingen (UPS), industriële motoraandrijvingen en power factor correction (PFC)-circuits. De hogere schakelfrequenties die door SiC mogelijk worden gemaakt, verminderen de grootte van passieve componenten zoals inductoren en condensatoren.
• op maat gemaakte siliciumcarbide wafers Zonne-omvormers en windturbine-omvormers profiteren aanzienlijk van de efficiëntie van SiC. Een hogere conversie-efficiëntie betekent meer energie die wordt geoogst uit hernieuwbare bronnen, en een grotere vermogensdichtheid maakt kleinere en lichtere omvormersystemen mogelijk.
• Metallurgische bedrijven: Inductieverwarming bij hoge temperaturen en voedingen voor metallurgische processen maken gebruik van SiC vanwege het vermogen om extreme omstandigheden aan te kunnen en efficiënt vermogen te leveren.
• Chemische verwerking: Voedingen voor veeleisende chemische processen en sensoren bij hoge temperaturen kunnen vertrouwen op de chemische inertheid en thermische stabiliteit van SiC.
• LED-productie: Hoewel LED's zelf doorgaans op GaN zijn gebaseerd, kunnen de voedingen die grootschalige LED-verlichtingssystemen aandrijven, profiteren van SiC voor een verbeterde efficiëntie en levensduur.
• Industriële machines & apparatuur: Robotica, CNC-machines, lasapparatuur en verschillende industriële automatiseringssystemen integreren SiC-gebaseerde motoraandrijvingen en voedingen voor verbeterde precisie, snelheid en energiebesparing.
• Telecommunicatie: Voedingen voor 5G-basisstations en datacenters gebruiken steeds vaker SiC om het energieverbruik te verminderen en het thermisch beheer in dichtbevolkte omgevingen te verbeteren.
• Olie en Gas: Downhole-boorapparatuur en vermogenssystemen in zware omgevingen profiteren van de robuustheid en hoge temperatuurmogelijkheden van SiC.
• Medische apparaten: Geavanceerde medische beeldvormingssystemen (MRI, CT-scanners) en gespecialiseerde medische voedingen kunnen SiC gebruiken voor een stabiele en efficiënte stroomvoorziening.
• Spoorvervoer: Tractie-omvormers en hulpvoedingen in moderne treinen en trams gebruiken SiC voor een betere energie-efficiëntie, kleinere afmetingen en een verbeterde betrouwbaarheid.
• Kernenergie: Besturingssystemen en stroomconversie in nucleaire faciliteiten kunnen profiteren van de stralingstolerantie en betrouwbaarheid van SiC in kritieke toepassingen.

De rode draad in deze diverse toepassingen is de behoefte aan stroomconversie die efficiënter, compacter en betrouwbaarder is, eigenschappen die inherent worden geleverd door siliciumcarbide-vermogenselektronica.

3. Efficiëntie ontsluiten: Voordelen van aangepaste SiC in vermogenssystemen

De beslissing om aangepaste siliciumcarbidecomponenten in vermogenssystemen toe te passen, vloeit voort uit een overtuigende reeks voordelen die de belangrijkste uitdagingen van moderne vermogenselektronica direct aanpakken. Deze voordelen gaan verder dan eenvoudige materiaalsubstitutie en maken verbeteringen op systeemniveau mogelijk:

• Hogere energie-efficiëntie: SiC-apparaten, zoals SiC MOSFET's en SiC Schottky-diodes, vertonen een aanzienlijk lagere weerstand in de aan-toestand (R_DS(on)) en schakelverliezen in vergelijking met hun silicium-tegenhangers. Dit vertaalt zich in minder energieverspilling, minder warmteontwikkeling en een hogere systeemefficiëntie. Voor toepassingen zoals EV-laders of zonne-omvormers betekent dit meer geleverde stroom en minder energieverlies.
• Verhoogde Vermogensdichtheid: Omdat SiC-apparaten kunnen werken bij hogere schakelfrequenties, kan de grootte van bijbehorende passieve componenten (inductoren, condensatoren, transformatoren) drastisch worden verminderd. In combinatie met lagere koelvereisten als gevolg van minder warmteontwikkeling, maakt dit veel compactere en lichtere vermogenselektronische systemen mogelijk.
• Superieure prestaties bij hoge temperaturen: De brede bandgap van siliciumcarbide maakt het mogelijk om betrouwbaar te functioneren bij junctietemperaturen van meer dan 200°C, en in sommige gevallen veel hoger. Dit staat in schril contrast met silicium, dat doorgaans een bovengrens heeft van ongeveer 150-175°C. Deze veerkracht opent deuren voor toepassingen in zware omgevingen en vermindert de complexiteit van thermische beheersystemen.
• Hogere doorslagspanning: SiC bezit een elektrische doorslagveldsterkte die ongeveer tien keer zo hoog is als die van silicium. Dit maakt het mogelijk om apparaten te ontwerpen die veel hogere spanningen kunnen blokkeren in een kleiner oppervlak van de chip, waardoor het ideaal is voor hoogspanningsvermogensconversie (bijv. toepassingen van 600 V tot multi-kV).
• Snellere Schakelsnelheden: SiC-apparaten kunnen veel sneller in- en uitschakelen dan siliciumapparaten. Deze mogelijkheid is cruciaal voor het verminderen van schakelverliezen en het mogelijk maken van het gebruik van hogere bedrijfsfrequenties, wat, zoals vermeld, bijdraagt aan een kleiner systeemformaat.
• Verbeterde systeem betrouwbaarheid: De inherente robuustheid van SiC, inclusief de thermische stabiliteit en stralingstolerantie, draagt bij aan een langere levensduur en lagere uitvalpercentages onder veeleisende omstandigheden.
• Lagere systeemkosten (totale eigendomskosten): Hoewel SiC-componenten in sommige gevallen hogere initiële kosten kunnen hebben in vergelijking met silicium, leiden de voordelen op systeemniveau vaak tot lagere totale eigendomskosten. Besparingen kunnen voortkomen uit minder koelingsbehoeften, kleinere passieve componenten, een hogere efficiëntie (lager energieverbruik) en een verbeterde betrouwbaarheid (minder onderhoud).
• Verbeterde thermische geleidbaarheid: De thermische geleidbaarheid van SiC is ongeveer drie keer beter dan die van silicium. Dit maakt een efficiëntere warmteafvoer van het apparaat mogelijk, wat verder bijdraagt aan de hoge temperatuurcapaciteit en betrouwbaarheid.

Door SiC-componenten aan te passen, kunnen ontwerpers deze voordelen optimaliseren voor hun specifieke toepassing, of het nu gaat om het afstemmen van de chipgeometrie voor specifieke spannings- en stroomwaarden of het ontwikkelen van unieke verpakkingsoplossingen voor extreme thermische of mechanische belasting. De mogelijkheid om deze parameters fijn af te stellen door middel van SiC-oplossingen op maat is een belangrijke factor voor innovatie in vermogenselektronica.

4. Materiaalzaken: Belangrijkste SiC-kwaliteiten voor de prestaties van vermogensapparaten

Siliciumcarbide is een verbinding halfgeleider die bestaat in veel verschillende kristalstructuren, polytypen genaamd. Voor vermogenselektronische apparaten hebben specifieke polytypen en materiaalsoorten de voorkeur vanwege hun elektronische eigenschappen. Het begrijpen van deze verschillen is essentieel voor het selecteren van het optimale SiC-materiaal voor hoogwaardige toepassingen.

De meest gebruikte SiC-polytypen voor vermogensapparaten zijn:

• 4H-SiC (Hexagonaal siliciumcarbide): Dit is het dominante polytype voor commerciële SiC-vermogensapparaten. 4H-SiC biedt een superieure combinatie van hoge elektronenmobiliteit, hoge elektrische doorslagveldsterkte en goede thermische geleidbaarheid. De eigenschappen maken het bijzonder geschikt voor hoogspannings- en hoogfrequente toepassingen zoals MOSFET's en Schottky-diodes. De meerderheid van de SiC-wafers voor vermogenselektronica is gebaseerd op het 4H-polytype.
• 6H-SiC (Hexagonaal siliciumcarbide): Hoewel historisch significant en nog steeds gebruikt in sommige gespecialiseerde toepassingen (bijv. bepaalde hoogfrequente apparaten of sensoren voor hoge temperaturen), heeft 6H-SiC over het algemeen een lagere elektronenmobiliteit in vergelijking met 4H-SiC, met name loodrecht op de c-as. Dit maakt het minder gunstig voor verticale vermogensapparaten waar de stroom in die richting vloeit. Het is echter wel gebruikt in sommige RF-vermogensapparaten en LED's.
• 3C-SiC (Kubisch siliciumcarbide): Dit polytype heeft het potentiële voordeel dat het op grotere, goedkopere siliciumsubstraten kan worden gekweekt. 3C-SiC leed echter historisch gezien aan hogere defectdichtheden en heeft nog niet hetzelfde niveau van commerciële volwassenheid bereikt voor vermogensapparaten als 4H-SiC. Onderzoek gaat door en het kan in de toekomst kostenvoordelen bieden voor specifieke toepassingen.

Naast het polytype worden SiC-materialen voor vermogensapparaten doorgaans verwerkt tot deze vormen:

• SiC-substraten (wafers): Dit zijn enkelkristallijne SiC-schijven, doorgaans variërend van 100 mm (4 inch) tot 150 mm (6 inch) in diameter, waarbij 200 mm (8 inch) wafers beschikbaar komen. De kwaliteit van het substraat, met name de defectdichtheid (bijv. micropijpen, basale vlakdislocaties), is cruciaal voor de opbrengst en betrouwbaarheid van de apparaten die erop worden vervaardigd. Hoogwaardige SiC-substraten zijn essentieel.
• SiC Epitaxiale Lagen (Epi-lagen): Een dunne, nauwkeurig gecontroleerde laag SiC met specifieke dopingconcentraties wordt via epitaxie op de SiC-substraatlaag aangebracht. Deze epi-laag is waar de actieve gebieden van het vermogensapparaat (bijv. het driftgebied van een MOSFET of diode) worden gevormd. De dikte en de uniformiteit van de doping van de SiC-epitaxie zijn cruciaal voor de prestaties van het apparaat en bepalen kenmerken zoals de doorslagspanning en de aanweerstand.
• Bulk SiC-kristallen: Hoewel ze niet direct worden gebruikt voor de fabricage van planaire apparaten, zijn hoogwaardige bulk SiC-kristallen het uitgangspunt voor de productie van wafers. De groeitechnieken, zoals Physical Vapor Transport (PVT) of High-Temperature Chemical Vapor Deposition (HTCVD), beïnvloeden de kwaliteit en de kosten van de uiteindelijke wafers.

De keuze van de SiC-kwaliteit en -vorm hangt sterk af van het beoogde type vermogensapparaat (bijv. MOSFET, JFET, Schottky-diode, PiN-diode), de beoogde spannings- en stroomwaarden en de gewenste bedrijfssnelheid. Door samen te werken met een leverancier die deskundig is in de SiC-materiaalkunde, wordt de selectie van de meest geschikte SiC voor optimale prestaties en betrouwbaarheid van het apparaat gewaarborgd.

5. Ontwerpen voor vermogen: Kritische overwegingen voor SiC-apparaten

Het ontwerpen van vermogenselektronische systemen met siliciumcarbide-apparaten vereist een genuanceerde aanpak die de unieke eigenschappen van SiC benut en tegelijkertijd potentiële uitdagingen vermindert. Ingenieurs moeten rekening houden met verschillende kritische aspecten om de voordelen van SiC volledig te realiseren:

• Selectie van de apparaatarchitectuur:
  • SiC MOSFET's: De populairste keuze voor nieuwe ontwerpen vanwege hun spanningsgestuurde aard, snelle schakeling en lage R_DS(on). Planar- en trench-gate-structuren bieden elk verschillende afwegingen op het gebied van kanaalmobiliteit, gate-lading en betrouwbaarheid.
  • SiC Schottky-dioden (SBD's): Bieden een vrijwel nul omgekeerde herstellading, wat leidt tot aanzienlijk minder schakelverliezen in circuits waar ze als vrijloopdioden worden gebruikt. Vaak gecombineerd met SiC MOSFET's of zelfs silicium IGBT's.
  • SiC JFET's: Bekend om hun robuustheid, kunnen JFET's normaal open of normaal gesloten zijn. Ze vereisen specifieke gate-aansturingsstrategieën, maar kunnen uitstekende prestaties leveren in bepaalde toepassingen.
  • Andere SiC-apparaten: SiC BJTs (Bipolaire junctietransistors) en thyristors zijn ook beschikbaar voor toepassingen met zeer hoog vermogen, hoewel MOSFET's vaker voorkomen in de middenspanningsbereiken.
• Ontwerp van de gate-driver: Vooral SiC MOSFET's hebben specifieke gate-aansturingsvereisten.
  • Spanningsniveaus: Optimale gate-aansturingsspanningen (bijv. +20 V voor inschakelen, -2 V tot -5 V voor uitschakelen) zijn cruciaal voor het bereiken van een lage R_DS(on) en het voorkomen van ongewenst inschakelen.
  • Snelheid: Gate-drivers moeten in staat zijn om snel hoge piekstromen te leveren om de gate-capaciteit snel op te laden en te ontladen voor snel schakelen.
  • Bescherming: Functies zoals kortsluitbeveiliging en desaturatiedetectie zijn belangrijk voor de levensduur van het apparaat. Miller-klemcircuits kunnen parasitair inschakelen door hoge dv/dt voorkomen.
• Thermisch beheer: Hoewel SiC bij hogere temperaturen werkt, is effectieve warmteafvoer nog steeds cruciaal voor de betrouwbaarheid en prestaties.
  • De hogere thermische geleidbaarheid van SiC helpt de warmte te verspreiden, maar zorgvuldige overweging van de die-attach, substraatmaterialen en koelplaten is noodzakelijk.
  • Geavanceerde koeltechnieken zoals dubbelzijdige koeling of vloeistofkoeling kunnen worden gebruikt voor toepassingen met een zeer hoge vermogensdichtheid.
• Indeling en minimalisering van parasitaire inductie/capaciteit: De snelle schakelsnelheden van SiC-apparaten maken ze gevoelig voor parasitaire inductie en capaciteit in de circuitindeling.
  • Het minimaliseren van lusinductanties in vermogenspaden en gate-drivercircuits is cruciaal om spanningspieken en ringing te verminderen.
  • Zorgvuldige PCB-indeling, gebruik van gelamineerde busbars en selectie van pakketten met lage inductie zijn belangrijk.
• Beheer van elektromagnetische interferentie (EMI): Snellere schakelovergangen (hoge dv/dt en di/dt) kunnen leiden tot meer EMI.
  • Juiste filtering, afscherming en indelingsmethoden zijn noodzakelijk om te voldoen aan de EMI-voorschriften.
  • Het iets vertragen van schakelranden, indien toegestaan door de verliesdoelstellingen, kan soms helpen bij het beheren van EMI.
• Parallel schakelen van apparaten: Voor toepassingen met hogere stromen vereist het parallel schakelen van SiC-apparaten zorgvuldige aandacht om stroomdeling te garanderen, vooral tijdens schakeltransiënten. Het matchen van apparaatkenmerken en symmetrische indelingen is belangrijk.
• Betrouwbaarheid en robuustheid: Het begrijpen van faalmodi zoals gate-oxide-degradatie, body-diode-degradatie (in MOSFET's) en door kosmische straling veroorzaakte storingen is belangrijk voor een robuust systeemontwerp. Fabrikanten verstrekken gegevens over de kortsluitweerstandstijd (SCWT) en de lawinecapaciteit.

Door deze ontwerpoverwegingen effectief aan te pakken, kunnen ingenieurs het volledige potentieel van aangepaste SiC-vermogensoplossingen benutten, wat leidt tot systemen die niet alleen efficiënter, maar ook compacter en betrouwbaarder zijn.

6. Precisietechniek: Toleranties en afwerking voor SiC-wafers

De prestaties en de opbrengst van siliciumcarbide-vermogensapparaten zijn intrinsiek verbonden met de kwaliteit en precisie van de onderliggende SiC-wafers en epitaxiale lagen. Fabrikanten van SiC-substraten en epi-wafers houden zich aan strenge specificaties met betrekking tot maatnauwkeurigheid, oppervlakteafwerking en kristallografische perfectie. Voor inkoopmanagers en technische kopers is het begrijpen van deze parameters essentieel voor het inkopen van hoogwaardige materialen voor de fabricage van apparaten.

Belangrijke parameters voor SiC-wafers en epi-lagen zijn onder meer:

• Diameter en dikte: Standaard diameters zijn 100 mm, 150 mm, met 200 mm in opkomst. De dikte wordt doorgaans gespecificeerd met nauwe toleranties (bijv. ±10-25 µm). Consistente dikte is essentieel voor een uniforme verwerking in fablijnen.
• Totale Diktevariatie (TTV): Meet het verschil tussen de maximale en minimale diktewaarden over de wafer. Lage TTV is cruciaal voor fotolithografie en andere planaire verwerkingsstappen.
• Bow en Warp: Deze parameters beschrijven de afwijking van het mediane oppervlak van de wafer van een perfect vlak. Overmatige bow of warp kan problemen veroorzaken in geautomatiseerde waferhandling- en verwerkingsapparatuur.
• Oppervlakte ruwheid (Ra, Rq, Rz): Een glad, defectvrij oppervlak is essentieel voor hoogwaardige epitaxiale groei en daaropvolgende apparaatfabricage. De typische oppervlakte ruwheid (Ra) voor gepolijste SiC-wafers ligt in het angstrombereik (bijv. < 0,5 nm). Dit wordt vaak bereikt door chemisch-mechanisch polijsten (CMP).
• Schade onder het oppervlak: Slijp- en laapprocessen die worden gebruikt om wafers te vormen, kunnen schade onder het oppervlak veroorzaken. Deze beschadigde laag moet effectief worden verwijderd door CMP om een goede epitaxiale groei en apparaatprestaties te garanderen.
• Vlakheid (bijv. Site Flatness SFQR): Gelokaliseerde vlakheid over kleine gebieden (sites) waar afzonderlijke dies worden vervaardigd, is cruciaal voor fijne-lijnlithografie.
• Kristaloriëntatie: SiC-wafers worden doorgaans geleverd met een specifieke off-cut hoek ten opzichte van de c-as (bijv. 4° off-axis voor 4H-SiC) om stapstroomgroei tijdens epitaxie te bevorderen en bepaalde soorten defecten te verminderen. Nauwkeurige oriëntatie is cruciaal.
• Defectdichtheid: Dit is een van de meest kritische parameters.
  • Micropipes (MPD): Holle buisvormige defecten die zich langs de c-as voortplanten. Het zijn killer-defecten voor vermogensapparaten. Moderne hoogwaardige SiC-wafers streven naar een bijna nul micropipe-dichtheid (< 0,1 cm^-2).
  • Basale vlakdislocaties (BPD's): Deze defecten in het kristalrooster kunnen de prestaties en betrouwbaarheid van het apparaat aantasten, met name voor bipolaire apparaten of de body-diode van MOSFET's.
  • Draadschroefdislocaties (TSD's) en draadkantdislocaties (TED's): Andere soorten lijndefecten die van invloed kunnen zijn op de opbrengst en prestaties van het apparaat.
• Uniformiteit van de weerstand (voor geleidende substraten): Voor n-type substraten is een uniforme weerstand belangrijk voor consistente apparaatkenmerken.
• Dikte en dopinguniformiteit van de epitaxiale laag: Voor epi-wafers moeten de dikte van de gegroeide laag en de doteringsconcentratie extreem uniform zijn over de wafer en van wafer tot wafer om consistente apparaatparameters zoals doorslagspanning en R te garanderen_DS(on).

Het bereiken van deze nauwe toleranties en hoogwaardige oppervlakteafwerkingen vereist geavanceerde fabricageprocessen, waaronder geavanceerde kristalgroeitechnieken (bijv. PVT), nauwkeurig snijden en lappen en meerstaps CMP. Leveranciers van aangepaste SiC-componenten moeten robuuste metrologie en kwaliteitscontrole aantonen om ervoor te zorgen dat hun producten voldoen aan de veeleisende eisen van de fabricage van vermogensapparaten.

7. Van wafer tot module: Essentiële nabehandeling voor SiC-apparaten

Zodra de actieve SiC-apparaatstructuren op de wafer zijn gefabriceerd, zijn er verschillende cruciale nabewerkingstappen nodig om individuele dies om te zetten in functionele en betrouwbare vermogensapparaten of -modules. Deze stappen zijn cruciaal voor het waarborgen van elektrische connectiviteit, mechanische stabiliteit, thermische prestaties en duurzaamheid op lange termijn.

Belangrijke nabewerkingsfasen voor SiC-vermogensapparaten zijn onder meer:

• Wafer Backgrinding en Thinning: Voor verticale vermogensapparaten worden wafers vaak van de achterkant uitgedund om R te verminderen_DS(on) en de thermische prestaties te verbeteren. Dit proces vereist zorgvuldige behandeling om te voorkomen dat er spanning of schade aan de uitgedunde wafer wordt veroorzaakt.
• Metallisatie van de achterkant: Na het verdunnen wordt een metallaag (bijv. Ti/Ni/Ag of Ti/Ni/Au) op de achterkant van de wafer aangebracht om het drain (voor MOSFET's) of kathode (voor diodes) contact te vormen. Deze laag moet goed ohmisch contact bieden en geschikt zijn voor die-attach.
• Wafer Dicing (Singulatie): De bewerkte wafer, met honderden of duizenden afzonderlijke apparaten, wordt in afzonderlijke dies gesneden. Laser dicing of diamantzaag dicing zijn veelgebruikte methoden. Precisie is essentieel om chipping of beschadiging van de dies te voorkomen. Voor SiC maakt de hardheid het dicing uitdagender dan voor silicium.
• Die-hechting: Individuele SiC-dies worden bevestigd aan een leadframe, Direct Bonded Copper (DBC)-substraat of een andere pakketbasis. Veelgebruikte die-attach materialen zijn onder meer soldeer (bijv. SAC-legeringen), zilver sinterpasta's of epoxy-lijmen. De keuze hangt af van de thermische prestatie-eisen, de bedrijfstemperatuur en de betrouwbaarheidsdoelstellingen. Zilver sinteren wordt steeds populairder voor SiC vanwege de hoge thermische geleidbaarheid en betrouwbaarheid bij hoge temperaturen.
• Draadverbinding / Interconnects: Elektrische verbindingen worden gemaakt van de contacten aan de bovenkant (source en gate voor MOSFET's, anode voor diodes) op de SiC-die naar de pakketleads of het substraat. Aluminium (Al) of koper (Cu) draden worden vaak gebruikt. Voor hoogvermogenmodules kunnen koperen clips of lintverbindingen worden gebruikt om de inductie te verminderen en de stroomverwerking te verbeteren.
• Passivering en inkapseling:
  • Passivering: Een beschermende laag (bijv. siliciumdioxide, siliciumnitride of polyimide) wordt vaak op het die-oppervlak aangebracht om het te beschermen tegen vocht, verontreiniging en om elektrische isolatie te bieden voor hoogspanningsafsluitstructuren.
  • Inkapseling: Het geassembleerde apparaat of de module wordt ingekapseld in een gietmassa (bijv. epoxyhars) of ondergebracht in een hermetisch pakket om mechanische bescherming, afdichting tegen de omgeving en elektrische isolatie te bieden. De keuze van de inkapseling is cruciaal voor hoogspannings-SiC-apparaten om gedeeltelijke ontlading te voorkomen en de betrouwbaarheid op lange termijn te garanderen.
• Terminalvorming: Leads worden gevormd, geplateerd (bijv. met tin) en bijgesneden om de uiteindelijke apparaatterminals te creëren voor PCB-montage of busbar-aansluiting.
• Testen en inbranden: Voltooide apparaten en modules worden onderworpen aan rigoureuze elektrische tests (statische en dynamische parameters) en vaak inbranden, om vroege defecten uit te sluiten en ervoor te zorgen dat ze aan de specificaties voldoen. Dit omvat het testen van doorslagspanning, lekstromen, on-state weerstand en schakelkarakteristieken.

Elk van deze nabewerkingsstappen moet zorgvuldig worden geoptimaliseerd voor de unieke materiaaleigenschappen van SiC, zoals de hardheid, chemische inertheid en de mogelijkheid om bij hoge temperaturen te werken. Het succes van SiC-vermogensmodules en discrete apparaten is sterk afhankelijk van de kwaliteit en precisie van deze backend-productieprocessen.

8. Hindernissen overwinnen: Uitdagingen bij de adoptie van SiC-apparaten aanpakken

Hoewel siliciumcarbide transformatieve voordelen biedt voor vermogenselektronica, heeft de wijdverspreide toepassing ervan met bepaalde uitdagingen te maken gehad. Doorlopend onderzoek, ontwikkeling en productieverbeteringen pakken deze hindernissen echter geleidelijk aan aan, waardoor SiC een steeds levensvatbaardere en aantrekkelijkere optie wordt.

Veelvoorkomende uitdagingen en hun mitigatiestrategieën zijn onder meer:

• Hogere materiaalkosten:
  • Uitdaging: SiC-substraten zijn inherent duurder om te produceren dan siliciumwafers vanwege het complexe kristalgroeiproces bij hoge temperaturen en de hardheid van het materiaal, waardoor snijden en polijsten moeilijk en tijdrovend is.
  • Beperking:
    • De overstap naar wafers met een grotere diameter (bijv. 150 mm tot 200 mm) helpt de kosten per chip te verlagen.
    • Verbeteringen in kristalgroeitechnieken (bijv. snellere groeisnelheden, betere opbrengst) verlagen de substraatkosten.
    • Verhoogde productievolumes leiden tot schaalvoordelen.
    • Focus op totale eigendomskosten (TCO): Hoewel de chipkosten hoger kunnen zijn, kunnen besparingen op systeemniveau (kleinere passieve componenten, minder koeling, hogere efficiëntie) dit compenseren.
• Defectdichtheid in wafers en epi-lagen:
  • Uitdaging: Defecten zoals micropijpen, basale vlakdislocaties (BPD's) en stapelfouten kunnen de opbrengst, prestaties en langetermijnbetrouwbaarheid van het apparaat beïnvloeden. BPD's kunnen bijvoorbeeld een verhoogde lekstroom of degradatie van de bodydiode in SiC MOSFET's veroorzaken.
  • Beperking:
    • Geavanceerde kristalgroei- en epitaxiale processen verminderen continu de defectdichtheid.
    • Verbeterde inspectie- en meettechnieken maken een betere screening van defect materiaal mogelijk.
    • Apparaatontwerpen worden geoptimaliseerd om toleranter te zijn voor bepaalde soorten defecten.
    • Passivatietechnieken kunnen de impact van enkele oppervlaktegebonden defecten helpen verminderen.
• Betrouwbaarheid van de gate-oxide in SiC MOSFET's:
  • Uitdaging: De interface tussen het SiC-materiaal en het poortdiëlektricum (meestal SiO₂) in MOSFET's is historisch gezien een punt van zorg geweest vanwege hogere interfacietrapdichtheden in vergelijking met Si/SiO₂. Dit kan leiden tot instabiliteit van de drempelspanning en verminderde langetermijnbetrouwbaarheid onder poortspanning.
  • Beperking:
    • Geavanceerde poortoxidatieprocessen, zoals nitridering (bijv. NO- of N₂O-gloeien), hebben de kwaliteit en betrouwbaarheid van de SiC/SiO₂ interface aanzienlijk verbeterd.
    • De ontwikkeling van alternatieve poortdiëlektrica is een voortdurend onderzoeksgebied.
    • Apparaatfabrikanten implementeren rigoureuze screening- en kwalificatietests om de integriteit van de poortoxide te waarborgen.
• Kortsluitingsweerstandstijd (SCWT):
  • Uitdaging: SiC MOSFET's hebben over het algemeen een kleinere chipgrootte voor een bepaalde stroomsterkte in vergelijking met silicium-IGBT's. Dit kan leiden tot een lagere thermische massa en mogelijk kortere SCWT als dit niet goed wordt beheerd door de poortdriver en de beveiligingsschakelingen.
  • Beperking:
    • Apparaatontwerpen zijn geoptimaliseerd om de SCWT te verbeteren.
    • Snelwerkende kortsluitingsdetectie- en beschermingsmechanismen in de poortdriver zijn cruciaal.
    • Sommige fabrikanten bieden SiC MOSFET's met verbeterde SCWT-classificaties.
• Dynamische R_DS(on) Toename:
  • Uitdaging: Sommige SiC MOSFET's kunnen een toename van de weerstand in de aan-toestand vertonen nadat ze zijn blootgesteld aan hoogspanningsblokkeringsomstandigheden, als gevolg van ladingsvangstfenomenen.
  • Beperking: Verbeteringen in de materiaalkwaliteit (vooral substraat en epitaxie) en de verwerking van apparaten hebben dit effect bij moderne SiC MOSFET's sterk verminderd.
• Complexiteit van de fabricage:
  • Uitdaging: Het verwerken van SiC is complexer dan silicium vanwege de hardheid, chemische inertheid en de noodzaak van zeer hoge temperaturen in processen zoals ionenimplantatie-uitgloeien.
  • Beperking: De ontwikkeling van gespecialiseerde SiC-verwerkingsapparatuur en de verfijning van procesrecepten zijn gaande. De investering in speciale SiC-fabrieken neemt toe.

Door deze uitdagingen en de voortdurende inspanningen om ze te overwinnen te begrijpen, kunnen ingenieurs en inkoopmanagers weloverwogen beslissingen nemen bij het opnemen van SiC-technologie in hun producten. Samenwerken met ervaren SiC-leveranciers die voorop lopen in deze ontwikkelingen is essentieel.

9. Samenwerken voor succes: Het kiezen van uw SiC-componentenleverancier

Het selecteren van de juiste leverancier voor uw aangepaste siliciumcarbidecomponenten is een cruciale beslissing die een aanzienlijke invloed kan hebben op de prestaties, betrouwbaarheid, time-to-market en de algehele kosteneffectiviteit van uw product. Gezien de gespecialiseerde aard van de SiC-productie, moet een potentiële partner worden geëvalueerd op basis van verschillende belangrijke criteria:

• Technische expertise en ervaring:
  • Zoek naar leveranciers met diepgaande kennis van SiC-materiaalkunde, apparaatfysica en productieprocessen die specifiek zijn voor SiC (kristalgroei, epitaxie, waferfabricage, apparaatontwerp, nabewerking).
  • Ervaring met uw specifieke toepassingsgebied (bijv. automotive,