SiC: инновации в электронной промышленности

Введение: Важнейшая роль карбида кремния в современной электронике

В стремительно развивающейся электронной промышленности не прекращается поиск материалов, способных обеспечить более высокую плотность мощности, эффективность и превосходные характеристики в экстремальных условиях. Карбид кремния (SiC), сложный полупроводниковый материал, состоящий из кремния (Si) и углерода (C), стал одной из преобразующих технологий, особенно в силовой электронике и высокочастотных приложениях. Его исключительные физические и электронные свойства значительно превосходят свойства традиционного кремния, что открывает путь для революционных инноваций в различных отраслях, включая автомобилестроение, возобновляемые источники энергии, промышленное производство и телекоммуникации. По мере роста спроса на более компактные, энергоэффективные и надежные электронные системы SiC перестает быть нишевым материалом, а становится основополагающим строительным блоком для электроники следующего поколения. В этой статье мы рассмотрим многогранную роль карбида кремния в электронной промышленности, изучим области его применения, преимущества решений на основе SiC, критические аспекты проектирования и производства, а также способы стратегического поиска этих передовых материалов. Понимание возможностей пользовательские изделия из карбида кремния становится все более важным для инженеров, менеджеров по закупкам и технических покупателей, стремящихся оставаться на переднем крае технологического прогресса.

Значимость SiC заключается в широкой полосе пропускания, высокой теплопроводности, высокой напряженности электрического поля пробоя и высокой скорости насыщения электронов. Эти характеристики позволяют устройствам на основе SiC работать при значительно более высоких напряжениях, температурах и частотах переключения по сравнению с кремниевыми аналогами. Это дает такие ощутимые преимущества, как снижение потерь энергии, уменьшение размеров компонентов, снижение требований к охлаждению и повышение надежности системы, что делает силовых SiC-приборов и Применение SiC в полупроводниковых приборах ключевые факторы, способствующие инновациям.

Разблокирование эффективности: Основные области применения SiC в электронной промышленности

Превосходные свойства карбида кремния открыли новый эшелон производительности и эффективности в широком спектре электронных приложений. Его применение быстро ускоряется по мере того, как отрасли осознают значительные преимущества, которые он дает на уровне системы. Ключевые отрасли, использующие мощная электроника SiC включают:

• Силовая электроника: Это, пожалуй, самая значительная область применения SiC. Сферы применения включают в себя промышленные электроприводы, источники бесперебойного питания (ИБП) и схемы коррекции коэффициента мощности (ККМ). SiC MOSFETs и SiC Schottky diodes позволяют значительно повысить частоту переключения, что приводит к уменьшению размеров пассивных компонентов (индукторов и конденсаторов), снижению потерь мощности и общей миниатюризации системы.
• Электромобили (EV): Технология SiC совершает революцию в индустрии электромобилей. Она используется в тяговых инверторах, бортовых зарядных устройствах (БЗУ) и DC-DC-преобразователях. В тяговых инверторах SiC позволяет повысить эффективность, что ведет к увеличению дальности хода автомобиля или уменьшению размеров аккумуляторных блоков. В бортовых зарядных устройствах и DC-DC-преобразователях SiC способствует ускорению процесса зарядки и уменьшению веса и объема. Спрос на электромобиль SiC компоненты являются основным драйвером рынка SiC.
• Системы возобновляемой энергии: Солнечные фотоэлектрические (PV) инверторы и преобразователи для ветряных турбин получают огромную пользу от SiC. Более высокая эффективность инверторов на основе SiC означает, что с солнечных панелей или ветряных турбин можно получить больше электроэнергии. Их способность работать при более высоком напряжении также упрощает архитектуру систем для крупномасштабных станций по производству возобновляемой энергии. SiC-инверторы для возобновляемых источников энергии имеют решающее значение для повышения стабильности и эффективности энергосистемы.
• Радиочастотные (RF) приложения: SiC, особенно полуизолирующие подложки SiC, крайне важны для создания мощных и высокочастотных радиочастотных устройств, таких как транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) на основе нитрида галлия (GaN)-on-SiC. Они используются в базовых станциях 5G, радарных системах, спутниковой связи и системах радиоэлектронной борьбы, где высокая плотность мощности и термическая стабильность имеют первостепенное значение.
• Высокотемпературная электроника: Способность SiC надежно работать при температурах свыше 300°C (а иногда и гораздо выше) делает его идеальным для электроники, используемой в жестких условиях, таких как бурение скважин в нефтегазовой промышленности, управление двигателями в аэрокосмической отрасли и мониторинг промышленных процессов.

Влияние SiC наглядно демонстрируется в следующих приложениях:

Область применения	Ключевое преимущество SiC	Конкретные устройства/случаи использования
Преобразование энергии & Управление	Более высокая эффективность, уменьшенные размеры/вес, низкая потребность в охлаждении	Источники питания с переключаемым режимом (SMPS), выпрямители AC-DC, инверторы DC-AC, промышленные электроприводы
Электромобили & Транспорт	Увеличенный запас хода, ускоренная зарядка, уменьшенный объем силового агрегата	Тяговые инверторы, бортовые зарядные устройства (БЗУ), DC-DC преобразователи, железнодорожные тяговые системы
Возобновляемые источники энергии & Инфраструктура сетей	Улучшенный сбор энергии, более высокая плотность мощности, стабильность сети	Инверторы для солнечных батарей (PV), преобразователи для ветряных турбин, полупроводниковые трансформаторы, передача постоянного тока HVDC
Радиочастотная энергия & Телекоммуникации	Высокочастотный режим работы, высокая выходная мощность, отличное тепловыделение	усилители мощности базовых станций 5G/6G, радарные системы, ретрансляторы спутниковой связи
Аэрокосмическая и оборонная промышленность	Работа при высоких температурах, радиационная стойкость, надежность	Системы управления, блоки распределения энергии, авионика, радарные и сенсорные системы
Промышленное отопление & обработка	Эффективная подача энергии для высокотемпературных процессов	Источники питания для индукционного нагрева, системы генерации плазмы

По мере того как производители продолжают совершенствовать производство SiC устройств в связи с уменьшением количества процессов и снижением стоимости, ожидается, что область применения SiC в электронике еще больше расширится, что укрепит его позиции в качестве важнейшего материала для более энергоэффективного будущего.

Преимущество индивидуального подхода: Почему индивидуальные решения на основе SiC имеют решающее значение для электронных инноваций

Хотя стандартные, готовые компоненты SiC обладают значительными преимуществами, полный потенциал карбида кремния в сложных электронных приложениях часто раскрывается благодаря индивидуальной разработке. Нестандартные компоненты SiC и индивидуальные решения позволяют инженерам оптимизировать работу устройств и систем, удовлетворить специфические эксплуатационные требования и добиться конкурентного преимущества. Для некоторых приложений могут подойти типовые компоненты, но для передовых инноваций или систем, работающих в условиях уникальных ограничений, индивидуальный подход неоценим.

Основные преимущества выбора индивидуальных решений на основе карбида кремния в электронной промышленности включают:

• Улучшенная электрическая производительность: Индивидуальная настройка позволяет точно настроить такие электрические параметры, как напряжение пробоя, сопротивление в включенном состоянии ($R_{DS(on)}$), характеристики переключения и требования к приводу затвора. Это обеспечивает идеальное соответствие SiC-прибора требованиям конкретного приложения по напряжению, току и частоте, максимизируя эффективность и минимизируя потери. Например, для конкретной топологии силового преобразователя может быть разработан SiC MOSFET с оптимальной структурой ячеек и профилем легирования.
• Превосходное управление температурным режимом: Хотя SiC по своей природе обладает превосходной теплопроводностью, индивидуальные разработки позволяют еще больше оптимизировать пути отвода тепла. Для этого могут использоваться специальные геометрии матриц, специализированные материалы подложек или уникальные упаковочные решения, адаптированные к тепловым условиям конечной системы. Эффективное управление тепловым режимом имеет решающее значение для повышения надежности и продления срока службы мощных электронных устройств.
• Форм-факторы и интеграция с учетом специфики приложений: Нестандартные SiC-компоненты могут быть разработаны с учетом точных механических и пространственных ограничений в системе. Сюда входят нестандартные размеры пластин, уникальные схемы расположения чипов или интегрированные модули, объединяющие несколько SiC-устройств. Такая адаптация облегчает системную интеграцию, уменьшает общую площадь системы и упрощает процессы сборки.
• Оптимизированы для конкретных условий эксплуатации: Некоторые электронные системы работают в экстремальных условиях, сталкиваясь с такими проблемами, как очень высокие температуры, высокий уровень радиации или специфические механические нагрузки. Индивидуальные решения на основе SiC могут быть разработаны с использованием материалов и конструкций, которые повышают устойчивость к этим специфическим условиям, обеспечивая надежную работу там, где стандартные компоненты могут выйти из строя.
• Повышение надежности и срока службы системы: Благодаря адаптации SiC-компонентов к конкретным требованиям приложения можно минимизировать нагрузки на устройство и заблаговременно устранить потенциальные неисправности на этапе проектирования. Это приводит к повышению общей надежности системы и увеличению срока службы, сокращению затрат на обслуживание и времени простоя.

Сотрудничество с поставщиком, специализирующимся на индивидуальные решения на основе SiC обеспечивает доступ к экспертным знаниям в области материаловедения, физики устройств и производственных процессов. Такой совместный подход гарантирует, что конечные компоненты SiC будут не только высококачественными, но и будут полностью соответствовать инновационным целям разработчиков электронных систем. Компании, стремящиеся расширить границы производительности в силовой электронике, электромобилях или системах возобновляемой энергии, обнаружат, что заказной SiC предлагает явное преимущество.

Навигация по градациям SiC: Выбор правильного материала для электронных компонентов

Карбид кремния не является монолитным материалом; он существует в различных кристаллографических формах, называемых политипами, и может быть допирован для достижения различных электрических характеристик. Выбор подходящего сорта, политипа и уровня легирования SiC имеет решающее значение для работы электронных устройств. Понимание этих различий необходимо для инженеров, разрабатывающих и определяющих Подложки SiC для электроники или дискретные компоненты.

Наиболее распространенными политипами, используемыми в электронике, являются 4H-SiC и 6H-SiC, причем 4H-SiC является доминирующим для большинства приложений силовой электроники благодаря более высокой подвижности электронов и изотропным свойствам. Помимо политипов, пластины SiC могут быть проводящими (с легированием N-типа или P-типа) или полуизолирующими.

Политип/марка SiC	Основные характеристики	Основные электронные применения	Рекомендации по закупкам
4H-SiC	Высокая подвижность электронов (особенно перпендикулярно оси c), высокое критическое электрическое поле, хорошая теплопроводность. Широкая полоса пропускания (~3,26 эВ).	Предпочтительны для высоковольтных силовых устройств (MOSFETs, Schottky Barrier Diodes – SBDs, IGBTs), высокочастотной силовой электроники, высокотемпературных датчиков.	Самый распространенный и развитый политип для силовой электроники. Качество (низкая плотность дефектов, например, в микротрубках) имеет решающее значение. Выпускаются в формах N-типа, P-типа и полуизоляции.
6H-SiC	Исторически более зрелая технология роста, хорошая теплопроводность. Широкая полоса пропускания (~3,03 эВ). Более низкая подвижность электронов и более анизотропный, чем 4H-SiC.	Ранее использовался для синих светодиодов, некоторых мощных устройств. В значительной степени вытеснен 4H-SiC в новых конструкциях мощных устройств. По-прежнему используется в некоторых нишевых приложениях.	Менее предпочтителен для высокопроизводительных силовых устройств по сравнению с 4H-SiC из-за меньшей подвижности и большей анизотропии.
Высокочистая полуизоляция (HPSI) SiC	Очень высокое удельное электрическое сопротивление ($> 10^9 Омега кдот см$), низкие ВЧ-потери, отличная теплопроводность. Как правило, это 4H-SiC или 6H-SiC.	Подложки для транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT) из нитрида галлия (GaN), используемых в радиочастотных усилителях мощности (например, в базовых станциях 5G, радарах), СВЧ-приложениях.	Чистота (ванадиевая компенсация или собственная) и качество поверхности критически важны для эпитаксии GaN и работы устройств. Необходима низкая концентрация остаточных доноров/акцепторов.
N-тип легированного SiC	Проводник благодаря избытку электронов. Обычно легирован азотом (N). Удельное сопротивление можно точно контролировать.	Используется для изготовления дрейфовых слоев в силовых устройствах, канальных областей в МОП-транзисторах, катодов диодов Шоттки, подложек SiC для гомоэпитаксии.	Равномерность и контроль концентрации легирования являются ключевыми для таких параметров устройства, как напряжение пробоя и сопротивление включения.
SiC с легированием P-типа	Проводник благодаря избытку отверстий. Обычно легированы алюминием (Al) или бором (B). Энергия активации легирующих элементов выше, чем у N-типа.	Используется для корпусных областей в МОП-транзисторах, канальных областей в JFET, анодных слоев в диодах PiN и SBD, некоторых контактных слоев.	Получение SiC с низким удельным сопротивлением P-типа может оказаться непростой задачей. Для активации легирующих элементов требуется высокотемпературный отжиг.

Выбор марки SiC напрямую влияет на такие характеристики устройств, как напряжение блокировки, сопротивление включения, скорость переключения и тепловые характеристики. Для менеджеров по закупкам и технических покупателей важно указать не просто “карбид кремния”, а точный политип, тип проводимости (N-тип, P-тип или полуизолирующий), концентрацию легирования (или диапазон удельного сопротивления), ориентацию кристаллов и показатели качества (например, плотность микротрубок, плотность дефектов укладки, шероховатость поверхности). Работа со знающими людьми поставщики карбида кремния поставщики, которые могут предоставить рекомендации по выбору материала и предложить высококачественные, стабильные пластины или изготовленные на заказ эпитаксиальные структуры, имеют решающее значение для успешного изготовления и работы устройств. Такие поставщики часто предоставляют передовые материалы SiC адаптированы к конкретным электронным приложениям, обеспечивая оптимальные результаты.

Точное машиностроение: Критические аспекты проектирования электронных устройств на основе SiC

Разработка электронных устройств с использованием карбида кремния требует тонкого понимания уникальных свойств материала, чтобы полностью использовать его потенциал. Хотя SiC обеспечивает превосходные показатели производительности, инженеры должны учитывать специфические аспекты проектирования, которые значительно отличаются от традиционных разработок на основе кремния. Эти соображения охватывают электрические, тепловые и механические аспекты - все они имеют решающее значение для разработки надежных и эффективных устройств SiC-силовых модулей и дискретные компоненты.

Аспекты электрического проектирования:

• Напряжение пробоя ($V_{BR}$): Высокое критическое электрическое поле SiC’ позволяет создавать гораздо более тонкие дрейфовые области при заданном напряжении блокировки по сравнению с кремнием. Это снижает сопротивление в режиме включения, но требует тщательного управления электрическими полями, особенно на краях заделки, для предотвращения преждевременного пробоя. Методы заделки краев, такие как JTE (Junction Termination Extension) или кольца возбуждения, должны быть тщательно разработаны.
• Сопротивление в режиме включения ($R_{DS(on)}$ для МОП-транзисторов, $V_F$ для диодов): Минимизация сопротивления в состоянии покоя является ключевым фактором для снижения потерь проводимости. Для этого необходимо оптимизировать подвижность канала (для МОП-транзисторов), легирование и толщину дрейфовой области, а также контактное сопротивление. На подвижность канала SiC MOSFET могут влиять интерфейсные ловушки на границе SiO2/SiC, что требует усовершенствованной обработки диэлектрика затвора.
• Скорость и динамика переключения: Устройства SiC могут переключаться гораздо быстрее, чем устройства Si, что приводит к снижению потерь на переключение. Однако высокие скорости dV/dt и dI/dt могут вызывать электромагнитные помехи (EMI) и проскакивание/колебания напряжения из-за паразитных индуктивностей и емкостей в цепи. Конструкция драйвера затвора является критически важной, требующей точного управления током и напряжением затвора для управления скоростью переключения и защиты оксида затвора. Для минимизации влияния индуктивности источника на драйвер затвора в корпусах SiC-устройств часто используются кельвиновые соединения источника.
• Требования к приводу затвора (для МОП-транзисторов): МОП-транзисторы SiC обычно имеют другие требования к напряжению на затворе (например, $V_{GS(th)}$, рекомендуемые $V_{GS(on)}$, $V_{GS(off)}$) по сравнению с МОП-транзисторами Si. Оксид затвора также является чувствительной частью; обеспечение того, чтобы он не подвергался чрезмерным нагрузкам во время работы, имеет решающее значение для долгосрочной надежности. Отрицательное смещение затвора в выключенном состоянии часто рекомендуется для предотвращения непреднамеренного включения из-за dV/dt.
• Время выдерживания короткого замыкания (SCWT): Из-за более высокой плотности мощности SCWT SiC MOSFETs может быть короче, чем у Si IGBTs. Это требует тщательного учета при разработке схем защиты.
• Характеристики корпусного диода (для МОП-транзисторов): Внутренний корпусной диод SiC MOSFETs имеет более высокое прямое падение напряжения и в некоторых случаях может страдать от биполярной деградации. Несмотря на улучшение его характеристик, внешние SiC SBD иногда используются параллельно для сложных приложений со свободным ходом.

Стратегии управления тепловым режимом:

Высокая теплопроводность SiC способствует отводу тепла, но достижимая более высокая плотность мощности также означает более концентрированные источники тепла. Эффективное тепловое проектирование включает в себя:

• Минимизация теплового сопротивления от SiC-матрицы до радиатора. Это касается материалов крепления матрицы, материалов подложки (например, AlN, Si3N4 для подложек DBC) и дизайна упаковки.
• Учет несоответствия коэффициента теплового расширения (CTE) между SiC и материалами упаковки для предотвращения механических напряжений и усталости.
• Использование передовых технологий охлаждения (например, жидкостного охлаждения, двустороннего охлаждения) для модулей большой мощности.

Механическая и упаковочная интеграция:

Механические свойства SiC (твердые и хрупкие), а также высокие рабочие температуры и частоты влияют на выбор упаковки.

• Упаковка с низким индуктивным сопротивлением необходима для использования высоких скоростей переключения SiC-устройств.
• Упаковочные материалы должны выдерживать высокие рабочие температуры и обеспечивать надежные межсоединения.
• Для SiC необходимо оптимизировать процессы соединения проводов и крепления матриц.

Проектирование с учетом требований технологичности, ограничений по геометрии, толщины стенок керамических компонентов, если они используются в упаковке, и мест концентрации напряжений также крайне важно. Тесное сотрудничество между разработчиками устройств и индивидуальное изделие из SiC производители - ключ к эффективному решению этих многогранных вопросов.

Достижение совершенства: Допуски, качество поверхности и финишная обработка для электроники на основе SiC

На производительность и надежность электронных устройств из карбида кремния огромное влияние оказывают точность размеров, качество поверхности и качество обработки SiC-подложек и эпитаксиальных слоев, на которых они построены. Для специалистов по закупкам и инженеров, определяющих SiC-подложек и эпиваферов, понимание достижимых допусков и их влияния является критически важным. Строгий контроль этих параметров необходим на всех этапах производственного процесса - от выращивания кристаллов и изготовления пластин до эпитаксии и окончательной подготовки поверхности.

Ключевые аспекты, связанные с допуском, качеством обработки поверхности и точностью размеров для электроники на основе SiC, включают в себя:

• Плоскостность подложки и отклонение толщины (TTV): Высококачественные пластины SiC должны обладать исключительной плоскостностью (например, не иметь перекосов, искривлений, сори) и минимальной общей вариацией толщины (TTV) по всей пластине. Эти параметры имеют решающее значение для процессов фотолитографии, обеспечивая равномерное формирование элементов при изготовлении устройств. Отклонения могут привести к проблемам с глубиной фокуса, что приведет к несовместимым характеристикам устройств и снижению выхода продукции. Поставщики техническая керамика SiC для электронных применений должны соответствовать жестким требованиям к плоскостности.
• Шероховатость поверхности (Ra, Rq, Rms): Поверхность пластин SiC, особенно после химико-механической полировки (CMP), должна быть очень гладкой, обычно с плоскостностью на атомном уровне (Ra < 0,5 нм, часто < 0,2 нм). Гладкая, бездефектная поверхность имеет первостепенное значение для последующего роста высококачественных эпитаксиальных слоев. Любые остаточные подповерхностные повреждения или шероховатости поверхности могут привести к распространению дефектов в эпислое, что негативно скажется на характеристиках устройства (например, целостности оксида затвора, токах утечки).
• Равномерность эпитаксиального слоя: В устройствах на основе SiC активные слои обычно выращиваются эпитаксиально на подложке SiC. Толщина и концентрация легирования этих эпитаксиальных слоев должны быть совершенно одинаковыми на всей пластине и от пластины к пластине. Отклонения могут привести к несоответствию таких параметров устройства, как пороговое напряжение, напряжение пробоя и сопротивление включения. Для достижения этой цели необходимы передовые технологии эпитаксиального роста (например, CVD) и точный контроль процесса.
• Плотность дефектов (микротрубочки, дефекты укладки, дислокации): Рост кристаллов SiC сопряжен с определенными трудностями, поэтому могут возникать различные типы кристаллографических дефектов. Особенно опасны микротрубочки (винтовые дислокации в полом стержне), которые могут привести к преждевременному выходу устройства из строя. Дислокации в базальной плоскости (BPD) в подложке также могут привести к дефектам укладки в активных слоях устройства во время работы, вызывая увеличение сопротивления включения для биполярных устройств. Выбор подложек с низкой плотностью дефектов имеет решающее значение, особенно для высоковольтных и высоконадежных приложений.
• Исключение кромки и выход стружки: Полезная площадь полупроводниковой пластины определяется зоной отчуждения краев, где выход устройств обычно ниже из-за дефектов краев или несоответствия обработки. Минимизация этой зоны отчуждения за счет улучшения формы пластины и полировки краев может увеличить количество хороших штампов на пластину, что напрямую влияет на стоимость.
• Точность размеров заказных компонентов: Для компонентов SiC нестандартной формы, используемых в качестве теплораспределителей, подложек для гибридных модулей или изоляторов, точный контроль размеров (длина, ширина, толщина, параллельность, перпендикулярность) необходим для правильной сборки и тепловых характеристик.

Достижимые допуски для пластин SiC обычно находятся в микрометровом диапазоне для таких размеров, как диаметр и толщина, а плоскостность и TTV контролируются в еще более жестких пределах. Варианты отделки поверхности после CMP позволяют получить зеркально чистые поверхности. Прецизионные возможности шлифования, притирки и полировки являются основополагающими для удовлетворения этих строгих требований. При выборе поставщика Электронные пластины SiC поэтому важно четко определить эти характеристики с поставщиком, чтобы убедиться, что материал подходит для предполагаемого высокопроизводительного применения.

За пределами изготовления: Необходимая последующая обработка для электронных компонентов из SiC

После изготовления фундаментальных структур устройств из карбида кремния на полупроводниковой пластине необходимо выполнить ряд важнейших этапов постобработки, чтобы превратить эти структуры в функциональные, надежные и пригодные для упаковки электронные компоненты. Эти этапы так же важны, как и первоначальная обработка пластин и эпитаксия, и существенно влияют на производительность, выход и стоимость устройств. Для отраслей промышленности, полагающихся на производство SiC устройствпонимание этих потребностей в постобработке очень важно для эффективного производства и получения высококачественной продукции.

Общие и необходимые этапы постобработки электронных компонентов SiC включают в себя:

1. Обратная шлифовка и утонение пластин: После изготовления устройства с лицевой стороны пластины SiC часто истончаются с обратной стороны. Это снижает тепловое сопротивление матрицы, улучшая отвод тепла, а также может уменьшить сопротивление в режиме включения для вертикальных силовых устройств. Из-за твердости SiC используются специальные методы шлифовки, а затем процессы снятия напряжения, такие как CMP или сухая полировка, для удаления повреждений, вызванных шлифовкой.
2. Металлизация задней стороны: Для вертикальных силовых устройств на обратную сторону пластины наносится металлический слой для формирования контакта стока (для МОП-транзисторов) или катода (для диодов). Этот слой обычно состоит из нескольких металлов (например, Ti/Ni/Ag или Ti/Ni/Au) для обеспечения хорошего омического контакта, паяемости и теплопроводности. Выбор металлов и методов осаждения (например, напыление, испарение) имеет решающее значение для обеспечения низкого контактного сопротивления и долговременной надежности.
3. Разрезание пластин (разделение): После завершения обработки лицевой и обратной сторон пластина нарезается на отдельные чипы (матрицы). Из-за твердости и хрупкости SiC используется лазерная нарезка кубиков или специализированные технологии пиления алмазными дисками. Процесс нарезки должен минимизировать сколы, трещины и потери пропила, чтобы максимизировать выход матрицы и сохранить ее прочность. Все более популярным методом является скрытая обработка.
4. Крепление кристалла: Затем сингуляционные матрицы SiC крепятся к выводной рамке, медной подложке с прямым соединением (DBC) или другому основанию корпуса. Материалы для крепления матриц (например, припой, паста для спекания серебра, эпоксидная смола) должны обеспечивать хорошую тепло- и электропроводность, механическую прочность и выдерживать высокие рабочие температуры. Серебряное спекание предпочтительно для мощных SiC-устройств из-за его высокой теплопроводности и надежности.
5. Wire Bonding / Межсоединения: Электрические соединения выполняются от соединительных площадок на SiC-матрице к выводам корпуса или подложке. Обычно используются алюминиевые (Al) или медные (Cu) провода, которые крепятся с помощью ультразвукового или термозвукового соединения. Для мощных приложений предпочтительнее использовать медные провода или ленточное соединение из-за лучшей токоотдачи и тепловых характеристик. Для расширенной упаковки также используются соединения типа "флип-чип" или медные столбики.
6. Пассивация и инкапсуляция: Дополнительные пассивирующие слои могут быть нанесены для защиты поверхности матрицы и чувствительных стыков от загрязнений окружающей среды и механических нагрузок, особенно в области выводов. Затем вся сборка обычно помещается в формовочный компаунд (для дискретных корпусов) или в корпус модуля, заполненный силиконовым гелем или другим защитным материалом для обеспечения электрической изоляции и механической стабильности.
7. Тестирование и сортировка устройств: Каждое нарезанное и/или упакованное устройство подвергается тщательному электрическому тестированию, чтобы убедиться, что оно соответствует спецификациям по таким параметрам, как напряжение пробоя, ток утечки, сопротивление в включенном состоянии и характеристики переключения. Устройства сортируются (разбиваются на группы) в зависимости от их характеристик. Для выявления ранних отказов часто проводятся высокотемпературные испытания с обратным смещением (HTRB) и другие стресс-тесты.

Каждый из этих этапов постобработки требует специального оборудования и опыта. Для компаний, желающих купить компоненты карбида кремния или разрабатывают свои собственные, понимание сложности этих вспомогательных процессов имеет решающее значение для достижения оптимальных характеристик, надежности и экономической эффективности устройств. Сотрудничество с поставщиками, обладающими мощными возможностями постобработки, позволяет оптимизировать цепочку поставок и обеспечить высокое качество конечной продукции.

Преодоление препятствий: Решение общих проблем при производстве электроники на основе SiC

Хотя карбид кремния обеспечивает революционные преимущества для электронной промышленности, его широкое внедрение и производство не обходится без проблем. Уникальные свойства материала SiC, которые делают его столь привлекательным для применения в мощных и высокочастотных приложениях, также создают значительные препятствия при выращивании кристаллов, изготовлении пластин, разработке устройств и общей стоимости. Решение этих проблем является ключом к раскрытию всего потенциала передовые материалы SiC и сделать их более доступными.

Общие проблемы при производстве электроники на основе SiC и способы их решения включают:

• Уменьшение дефектов кристаллов: Выращивание монокристаллов SiC (как правило, методом физического переноса паров – PVT) - сложный высокотемпературный процесс. В процессе роста или последующей эпитаксии могут образовываться такие дефекты, как микротрубочки (МП), винтовые дислокации, дислокации в базальной плоскости (ДБП) и дефекты суммирования (КС). Эти дефекты сильно влияют на выход устройства, его характеристики (например, ток утечки, надежность) и могут привести к преждевременному выходу из строя.
  Смягчение последствий: Значительные усилия в области НИОКР привели к совершенствованию технологий выращивания кристаллов, таких как передовые методы засева, оптимизация температурных градиентов и процессы эпитаксиального роста с уменьшением дефектов (например, восстановление LPE, преобразование BPD в TED). Строгий контроль материалов и качества также крайне важен.
• Надежность оксида затвора в SiC-МОП-транзисторах: Интерфейс между SiC и диэлектриком затвора (обычно SiO2) в МОП-транзисторах является критической областью. Интерфейс SiO2/SiC, как правило, имеет более высокую плотность интерфейсных ловушек ($D_{it}$) и оксидных ловушек вблизи интерфейса (NIOTs) по сравнению с интерфейсом Si/SiO2. Эти ловушки могут снижать подвижность канала, вызывать нестабильность порогового напряжения и влиять на долговременную надежность в условиях высоких электрических полей и температур.
  Смягчение последствий: Отжиг после окисления в оксиде азота (NO) или других азотсодержащих средах оказался очень эффективным для пассивации интерфейсных ловушек и улучшения качества оксида затвора. В настоящее время также изучаются альтернативные диэлектрики затвора и передовые методы проектирования интерфейсов.
• Экономически эффективная эпитаксия и легирование: Высококачественные эпитаксиальные слои с точно контролируемой толщиной и профилями легирования необходимы для SiC-устройств. Достижение этой цели с высокой производительностью и низкой стоимостью остается сложной задачей. Легирование P-типа в SiC (обычно алюминием) особенно сложно из-за высокой энергии активации акцепторов, требующей высокотемпературного постимплантационного отжига, который может повредить поверхность.
  Смягчение последствий: Совершенствование конструкции реакторов химического осаждения из паровой фазы (CVD), улучшение материалов-прекурсоров и оптимизация процессов отжига помогают повысить качество эпислоев и снизить затраты. Также совершенствуются методы ионной имплантации для лучшей активации легирующих элементов и уменьшения повреждений.
• Высокотемпературная обработка и омические контакты: Многие этапы изготовления SiC, включая выращивание кристаллов, эпитаксию, отжиг для активации легирующих веществ и формирование омических контактов, требуют очень высоких температур (часто >1500°C). Эти высокие температуры создают проблемы для оборудования, управления процессом и совместимости материалов. Формирование стабильных омических контактов с низким сопротивлением для SiC как N-типа, так и P-типа очень важно, но сложно.
  Смягчение последствий: Разработка специализированного оборудования для высокотемпературной обработки и новых схем контактной металлизации (например, Ti/Al для P-типа, Ni - силициды для N-типа) с последующим быстрым термическим отжигом (RTA) решает эти проблемы.
• Равномерность параметров устройства и доходность: Обеспечение жесткого контроля параметров устройства (например, $V_{th}$, $R_{DS(on)}$) на одной пластине и от пластины к пластине очень важно для крупномасштабного производства. Колебания в качестве материала