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Power Supply

碳化矽製造更智能的半導體製造/工藝電源

Feb 22, 2022
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半導體元件的製造流程包含數個截然不同的精密步驟。無論是前道工藝還是後道工藝,半導體製造設備的電源都非常重要。與基於矽的電源模組相比,使用碳化矽的電源具有更為出色的功率密度、可靠性和設計靈活性等優勢,因此工程師們認為碳化矽在此前未曾運用過的應用中擁有一系列優勢。

功率密度和靈活性便是 Wolfspeed 和 Astrodyne TDI(ATDI)合作的原因,雙方一同挖掘 SiC 技術的優勢,以滿足現代半導體製造/工藝設備的多種電源需求。我們攜手使用 SiC 元件實現更高的功率密度,尤其是 ATDI 的新型 Kodiak 電源平台,其功率密度高達 40 W/in3。此外,Wolfspeed 具有開發穩定 SiC 解決方案的悠久歷史,能夠説明 ATDI 提供性能更出色的功率轉換器,反之亦可説明客戶提升工藝控制水準。

電源是端到端的需求

涉及半導體製造/工藝的多種設備都需要電源。其中一個關鍵領域是測試。半導體設備製造工藝會將矽轉化為較薄的晶圓,其中包含細小的功能電路,然後晶圓被切割成一個個的晶片,也叫做晶粒。每一個積體電路晶片在切割之前都要進行測試,包括高溫測試,以確保其能夠在特定的標定條件下正常工作。電源在此流程中非常重要,其功率等級會非常高,而雜訊等級需要非常低。

電源在離子注入工藝中極為重要,這一工藝涉及到將特定元素的離子注入到材料中,以改變或重塑其特性。注入工藝也叫做“半導體摻雜”,涉及到硼、磷或砷離子等摻雜劑,這一工藝會引入雜質,從而調整元件的電子特性。注入工藝要想取得成功,需要由設備射出高能電子束,此類設備必須擁有可靠的電源,才能夠既射出電子束,又能使用電磁鐵引導離子束並將其集中。

Close up product shot of a FAB power supply

半導體製造工藝中的蝕刻和沉積設備也需要可靠的電源。濕式蝕刻和幹式蝕刻都會將晶圓轉化成互聯電路和其他關鍵元件。蝕刻工藝使用光刻技術來移除多餘的物質,僅留下複雜的電路圖形。穩定的電源對於沉積來說也非常重要,這一工藝流程涉及到蒸鍍或濺射技術,目的為形成多層金屬層,從而形成單元之間的電氣連接,其會保持沉積物質的均勻性,從而打造均勻的金屬層。

這些設備中利用的很多功率轉換器都是半導體製造工藝中不可或缺的一部分,其中轉換器不僅僅需要能提供穩定的電壓。還可能需要電源以高水準的精度來動態控制輸送的功率或電流。一般情況下,很多電源都利用交流頻率轉換器,這是因為其能夠配置為適應世界各地晶圓廠中電壓範圍在 100 V 到 480 V 之間的多種不同交流電壓。SiC 技術的出現使得這些應用使用高頻開關(HFSM)轉換器提供電源成為可能,其在性能和功率密度方面有顯著的優勢。

所有這些工藝都能從盡可能貼近實際設備、更高密度的電源中獲益;各工藝之間從本質上變得更為緊密,其精確度更出色、複雜程度更低、工藝時間減少,這意味著上市時間更快。很多廠商需要為半導體製造設備搭建電源模組,而利用 SiC 技術的 HFSM 電源能夠為這些廠商帶來更出色的靈活性。

功率密度和靈活性之間的良好平衡

ATDI 在其電源上使用第二代 SiC 元件已近十年,在 Kodiak 平台上已遷移到了第三代元件,這是一款標準的構建模組,可集成在多種定制方案中。

ATDI 採用新型 SiC 技術,提高了功率密度,能夠為客戶解決較為複雜的問題。Kodiak 產品中的 SiC MOSFET 和相關的體二極體具備較低的損耗,達到了行業前沿的 40 W/in3 的功率密度,實現了可供選擇的高效率和靈活的功率拓撲。

除了高功率密度外,Kodiak 還相容全球各地的交流電源,並能夠高度準確地控制傳輸的電壓、電流和功率。下圖所示的功率拓撲利用了三相功率因數校正 AC/DC 級和一個移相全橋(PSFB)隔離型 DC/DC 級。AC/DC 級可以在寬泛的輸入電壓和頻率中運行,設備製造商在全球內只需利用兩種不同的模式。此外,DC/DC 級配有 PSFB,與諧振轉換器相比,其能夠控制更為寬泛的輸出電壓和功率等級。採用傳統的矽 MOSFET 或 IGBT 實施這兩種拓撲不切實際,但是 Wolfspeed SiC MOSFET 卻能夠應對這些挑戰。

讓電源更靠近工藝

體積更小、更緊湊的功率轉換器能夠為半導體製造設備製造商帶來優勢。高功率密度可以讓製造商將電源配置在靠近設備和實際工藝的區域,這能夠提高工藝穩定性和可重複性。然而,將功率轉換器配置在設備附近也會帶來一系列亟需解決的問題。也許最具挑戰性的問題便是轉換器冷卻問題,由於無塵室內禁止使用強制風冷,這使得這一問題變得更為複雜。多年以來,ATDI 一直在提供高效液冷轉換器,專為解決此類問題,同時還通過取消風扇的方式提高了可靠性。

Wolfspeed's C3M™ circuitry illustration with 3-phase power factor correction and phase shift full bridge.

Wolfspeed SiC 技術具備相當快的開關速度,搭配較低的傳導損耗,為 ATDI 轉換器實現了高開關頻率設計,可在較大範圍內的直流電源下運行。此外,Wolfspeed 的封裝技術為 Kodiak 平台促成了行業前沿的液冷設計拓撲。

ATDI 的 Kodiak 平台是 ATDI 和 Wolfspeed 緊密合作的成果。ATDI 的液冷 Kodiak 平台並未簡單地採用現有的矽設計然後將其轉化為 SiC,其從設計初始便使用 SiC 進行優化,能夠盡可能提高功率密度,優化整體尺寸。Kodiak 適用于高功率 DC 系統,尤其適用於需要自動分載、在較寬泛的 DC 電壓範圍內運行、國際電源輸入以及高效、可靠性出色、尺寸緊湊、易於維護等特性的工業和軍事應用。

通過更為高效的冷卻方式降低複雜性、提升可靠性,這是 Kodiak 脫穎而出的關鍵因素。工業制程、資料處理和通訊網路以及軍事系統對電源的要求不斷提高,這些應用迫切需要經濟、可靠的液冷功率轉換系統。ATDI 的 Kodiak 便是一種可靠的構建模組,能夠滿足這些需求。

Infographic of ATDI's Kodiak power platform

總之,智慧冷卻、更出色的開關頻率、更緊湊的尺寸三大優勢相互結合,提高了半導體製造設備功率轉換器的靈活性,這是由於電源能夠更為接近工藝本身。通過縮短距離,精度得以顯著提高,這反過來直接對制程性能產生了積極影響。

基於碳化矽的電源解決方案可實現出色的功率密度和靈活性

ATDI 具有多種型號,提供完全可調整的輸出並具備多種控制模式,還具備卓越的應用靈活性,能夠減少半導體製造行業的上市時間。ATDI 充分發揮了 SiC 在功率密度、可靠性、輸出和設計靈活性等方面的優勢,將其應用在了此前未曾運用過的領域中,能夠為半導體製造的前道工藝和後道工藝提供極為重要的功率轉換器。

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