Thiết bị bán dẫn trong xe điện – Kì 1: chip năng lượng power semi SiC

Trong bối cảnh con người đang phải đối mặt với biến đổi khí hậu do lượng khí thải CO2 tăng cao, xe điện trở thành một giải pháp hữu hiệu thay thế cho xe hơi truyền thống dùng động cơ đốt trong nhờ lợi ích cắt giảm lên tới 23% tổng lượng khí thải trong suốt quá trình sử dụng [1]. Thật ra xe điện đã có lịch sử hình thành từ khá lâu, nhưng đến tận năm 2010, chúng ta mới được nhìn thấy chiếc xe điện chạy hoàn toàn bằng pin đầu tiên được sản xuất số lượng lớn, Nissan Leaf. Kể từ đấy, thị trường xe điện ngày càng phát triển và nở rộ ở hầu hết các nước trên thế giới.

Nissan Leaf 2020 với tuỳ chọn pin lên tới 62kWh giúp di chuyển tới 226 dặm hay 363 km với một lần sạc. Nguồn: Nissan USA

Bán dẫn và xe hơi tưởng chừng như không liên quan đến nhau, thế nhưng sự phát triển của xe điện giúp mở ra nhiều cơ hội cho ngành công nghiệp bán dẫn. Nếu một chiếc xe hơi truyền thống dùng động cơ đốt trong có khoảng 330 USD giá trị thành phần liên quan đến bán dẫn thì với một chiếc xe điện, con số ấy lến tới 900 ~ 1000 USD, tăng gấp 3 lần theo tính toán của McKinsey [2]. Trong loạt bài viết sắp tới, mình sẽ giới thiệu về các thành phần trên xe hơi ngày này, đặc biệt là xe điện, có dùng vật liệu bán dẫn. Đó là hệ thống điện, hệ thống giao tiếp với môi trường ngoài qua kết nối 5G, và hệ thống xử lí giúp xe lái tự động; ngoài ra, những khác biệt về quy tắc quản lí chất lượng trong sản xuất thiết bị bán dẫn cho xe hơi và cho thiết bị tiêu dùng hàng ngày

Thị trường thiết bị bán dẫn cho xe hơi đạt 30 tỉ USD năm 2015 và được dự đoán là đạt 39~42 tỉ USD trong năm 2020. Nguồn: McKinsey

Hệ thống điện

Điểm khác biệt cơ bản giữa xe động cơ đốt trong và xe điện đó chính là pin và đi kèm với đó là hệ thống quản lí và chuyển đổi năng lượng điện. Những chiếc xe điện được trang bị những viên pin dung lượng lớn nhằm tăng quãng đường di chuyển và giảm tần suất sạc, cũng như hệ thống sạc công suất cao và quản lí/chuyển đổi năng lượng từ pin nhằm giảm thời gian sạc cũng như tăng tuổi thọ cho pin. Vậy hệ thống điện này liên quan đến vật liệu bán dẫn như thế nào?

Hệ thống điện trên xe điện gồm 3 phần chính là hệ thống sạc (on-board charger), chuyển đổi DC-DC (DC-DC converter) và chuyển đổi điện năng thành cơ năng (traction inverter). On-board charger giúp sạc pin từ mạng lưới điện. DC-DC converter giúp hạ hiệu điện thế từ pin xuống và phân phối cho các bộ phận khác của xe. Cuối cùng, traction inverter giúp xe di chuyển [3]. Các hệ thống này có chứa các con chip làm từ vật liệu bán dẫn có khả năng chịu được cường độ dòng điện/hiệu điện thế lớn, hay còn gọi là power semi [4]. Một số loại chip power semi phổ biến như power MOSFET hay IGBT. 

Bên trái là sơ đồ power Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) còn bên phải là sơ đồ Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT). Nguồn: Pediaa

Power semi SiC

Power MOSFET hay IGBT là một loại bóng bán dẫn (transistor) đóng vai trò như một switch đóng ngắt mạch. Chúng có thể được sản xuất từ tấm bán dẫn silicon truyền thống hoặc các vật liệu mới như SiC (hợp chất giữa silicon và carbon) và GaN (hợp chất giữa gallium và nitrogen). SiC và GaN nhận được sự quan tâm nhờ những ưu điểm như tốc độ switch nhanh hơn, breakdown voltage lớn hơn, hiệu quả toả nhiệt tốt hơn, mật độ dòng điện tối đa lớn hơn và cho phép thu nhỏ kích thuớc đế chip so với Si [4], [5]. 

Tuy vậy, chi phí sản xuất đắt đỏ khiến việc phổ biến SiC trong các xe điện thương mại gặp nhiều khó khăn. Chính vì thế, chip power MOSFET và IGBT làm từ Si thường được các nhà sản xuất xe điện sử dụng nhiều hơn nhờ lợi thế chi phí [4]. Tesla, một ông lớn trong lĩnh vực xe điện, quyết định sử dụng chip SiC MOSFET cho các thành phần traction inverter, on-board charger cũng như DC-DC converter trên chiếc Model 3 nổi tiếng. Cụ thể hơn, Model 3 sử dụng chip 650V SiC MOSFET ở 100A của STMicroelectronic, được sản xuất trên dây chuyền ở Catania, Ý [6].

Tesla Model 3 với tuỳ chọn pin lên tới 75 kWh giúp di chuyển tới 322 dặm hay 518 km với một lần sạc. Nguồn: Tesla

SiC là một hợp chất dựa trên silicon và carbon, và nó có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống như chất bào mòn (abrasive) nhờ độ cứng lớn, nồi nấu kim loại (crucible) nhờ nhiệt độ thăng hoa cao, vật liệu chống sét (lighning arrester), thấu kính viễn vọng, hay các thiết bị điện tử như đèn LED, chip power semi. Thậm chí, SiC còn được ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học như sản xuất graphene hay nghiên cứu vật lí lượng tử.

Sản xuất SiC

Trong sản xuất chip, các đế chip được chế tạo trên các tấm bán dẫn SiC cắt từ SiC ingot ra, tương tự như Si. Đầu tiên, SiC ingot được sản xuất bằng quy trình Lely, được đặt tên theo nhà phát minh Jan Anthony Lely, thuộc Philips Electronics vào năm 1958 [7]. Bột silicon carbide được cho vào nồi nấu làm bằng graphite, nung nóng tới 2500C trong môi trường khí trơ Argon. Ở nhiệt đô cao, SiC thăng hoa, bay lên và bám vào bề mặt phía trên lò nung, nơi có nhiệt độ thấp hơn, từ đó hình thành mạng tinh thể SiC.

Sơ đồ phương pháp Lely sản xuất SiC ingot [8].

Sau đó, SiC ingot được cắt ra thành các tấm bán dẫn bằng kĩ thuật laser thay vì áp dụng kĩ thuật cưa thông thường trong sản xuất Si ingot. Dưới tác động của laser ở một độ sâu nhất định, SiC phân huỷ thành Si và C, từ đó tạo thành một lớp liên kết yếu, giúp tách tấm bán dẫn ra khỏi ingot. Các tấm bán dẫn SiC được mài bóng và sẵn sàng cho quá trình sản xuất chip.

Quy trình cắt SiC ingot thành các tấm bán dẫn bằng laser với rất nhiều ưu điểm như giảm 70% lượng vật liệu mất đi, giảm 70% thời gian cắt so với cưa thông thường, từ đó tăng gấp 5 lần sản lượng, từ 1.2 tấm lên 6 tấm trong 1 giờ [9].

Chất lượng của tấm bán dẫn Si đóng vai trò quyết định trong chất lượng của chip power semi và năng suất yield. Các lỗi trong cấu trúc tinh thể của SiC có thể làm giảm đi breakdown voltage và từ đó giảm hiệu năng của chip [10]. Đây là một trong những nguyên nhân khiến chi phí sản xuất của chip SiC tăng cao.

Hiện nay, đa số các fab đều sản xuất chip trên tấm SiC kích thuớc 150mm hoặc 100mm. Việc tạo ra các ingot có đường kính 200mm là một thách thức lớn, bởi mạng tinh thể sẽ dễ bị xuất hiện các lỗi hơn. Nếu như các fab có thể sản xuất chip từ các tấm SiC kích thuớc 200mm, số lượng đế chip tăng 2.2 lần, giúp giảm giá thành sản xuất trên một chip xuống [11].

Thị trường SiC

Có rất nhiều đơn vị cung cấp tấm bán dẫn SiC cho ngành công nghiệp sản xuất chip power semi. Trong số đó, Cree/Wolfspeed, Dow Corning/DuPont, ROHM/SiCrystal hay II-VI là những nhà sản xuất tấm bán dẫn SiC lớn nhất thế giới. Ba trong số đó đến từ Hoa Kì, còn ROHM/SiCrystal đến từ Đức. Các đơn vị này có thể chia làm hai loại: chỉ cung cấp tấm bán dẫn (DuPont và II-VI) hay kết hợp cả sản xuất tấm bán dẫn và chip power semi (Cree/Wolfspeed và ROHM/SiCrystal) [8]. Gần đây, Cree/Wolfspeed và Rohm/SiCrystal đã lên kế hoạch phát triển dây chuyền sản xuất kích thuớc 200mm nhằm đáp ứng nhu cầu tăng cao của chip power semi [11].

Khác với tấm Si, tấm bán dẫn SiC trong suốt. Thế nên, SiC còn được dùng trong trang sức đá quý dưới tên gọi là moissanite, đôi khi dễ bị nhầm với kim cương.

Năm 2017, quy mô sản xuất tấm bán dẫn SiC toàn cầu đạt 453 ngàn tấm, tăng 46% so với năm 2013. Theo Marketwatch, thị trường tấm bán dẫn SiC phát triển với tốc độ 10% mỗi năm, đạt giá trị 430 triệu USD vào năm 2024 [12]. Ngoài ra, theo báo cáo từ IHS, thị trường chip SiC MOSFET sẽ tăng trưởng 31% từ 2018 đến 2028, đạt giá trị 1.25 tỉ USD vào năm 2028 [11]. Trong bối cảnh mối quan tâm đến vấn đề khí hậu cũng như nhu cầu dùng xe điện ngày càng gia tăng, chúng ta sẽ chứng kiến sẽ phát triển của vật liệu SiC hơn nữa.

Cảm ơn mọi người đã theo dõi. Trong phần kế tiếp, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về chip 5G dùng trên hệ thống giao tiếp với môi trường của xe hơi.

Tham khảo:

  1. J. W. Brennan and T. E. Barder, “Battery Electric Vehicles vs. Internal Combustion Engine Vehicles: A United States-Based Comprehensive Assessment,” Arthur D. Little, Nov. 29, 2016. Available: https://www.adlittle.de/sites/default/files/viewpoints/ADL_BEVs_vs_ICEVs_FINAL_November_292016.pdf
  2. S. Burghardt, S. Choi, and F. Weig, “Mobility trends: What’s ahead for automotive semiconductors,” McKinsey & Company, Apr. 2017. Available: https://www.mckinsey.com/industries/semiconductors/our-insights/mobility-trends-whats-ahead-for-automotive-semiconductors
  3.  M. Lapedus, “Electric Cars Gain Traction, But Challenges Remain,” Semiconductor Engineering, Apr. 22, 2019. Available: https://semiengineering.com/electric-cars-gain-traction-but-challenges-remain/
  4. M. Lapedus, “Power Semi Wars Begin,” Semiconductor Engineering, Oct. 23, 2019. Available: https://semiengineering.com/power-semi-wars-begin/
  5. M. Bhatnagar and B. J. Baliga, “Comparison of 6H-SiC, 3C-SiC, and Si for power devices,” IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 40, no. 3, pp. 645-655, March 1993. doi: 10.1109/16.199372
  6. “About the SiC MOSFETs module in Tesla Model 3,” Jun. 27, 2018. Available: https://www.pntpower.com/tesla-model-3-powered-by-st-microelectronics-sic-mosfets/
  7. V. D. HeydemannN. SchulzeD. L. Barrett, and G. Pensl, “Growth of 6H and 4H silicon carbide single crystals by the modified Lely process utilizing a dual‐seed crystal method,” Appl. Phys. Lett., vol. 69, pp. 3728-3730, 1996. doi: 10.1063/1.117203.
  8. J. A. Lely, “Sublimation process for manufacturing silicon carbide crystals,” U.S. Patent 2 854 364, Sep. 30, 1958.
  9. “What is Kabra?,” DISCO. Available: http://www.disco.com.sg/kabra/index_eg.html
  10. H. Chen, et. al., “Effects of Different Defect Types on the Performance of Devices Fabricated on a 4H-SiC Homoepitaxial Layer,” MRS Proceedings, vol. 911, pp. 0911–B12-03, 2006. doi: 10.1557/PROC-0911-B12-03
  11. M. Lapedus, “SiC Demand Growing Faster Than Supply,” Semiconductor Engineering, May 23, 2019. Available: https://semiengineering.com/sic-demand-growing-faster-than-supply/
  12. “At 10.5% CAGR, Silicon Carbide Wafer Market Size Set to Register 430 million USD by 2024,” May 15, 2019. Available: https://www.marketwatch.com/press-release/at-105-cagr-silicon-carbide-wafer-market-size-set-to-register-430-million-usd-by-2024-2019-05-15

2 thoughts on “Thiết bị bán dẫn trong xe điện – Kì 1: chip năng lượng power semi SiC

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất /  Thay đổi )

Google photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google Đăng xuất /  Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất /  Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất /  Thay đổi )

Connecting to %s