Wprowadzenie do węglika krzemu
Węglik krzemu (SiC) to złożony materiał półprzewodnikowy składający się z węgla i krzemu, który jest jednym z idealnych materiałów do produkcji urządzeń o wysokiej temperaturze, częstotliwości, dużej mocy i wysokim napięciu. W porównaniu z tradycyjnym materiałem krzemowym (Si) przerwa pasmowa węglika krzemu jest 3 razy większa niż krzemu. Przewodność cieplna jest 4-5 razy większa niż krzemu; Napięcie przebicia jest 8-10 razy większe niż krzemu; Szybkość dryfu nasycenia elektronicznego jest 2-3 razy większa niż krzemu, co spełnia potrzeby nowoczesnego przemysłu w zakresie dużej mocy, wysokiego napięcia i wysokiej częstotliwości. Jest on głównie stosowany do produkcji szybkich, wysokiej częstotliwości, dużej mocy i emitujących światło elementów elektronicznych. Dalsze obszary zastosowań obejmują inteligentną sieć, nowe pojazdy energetyczne, fotowoltaiczną energię wiatrową, komunikację 5G itp. Diody z węglika krzemu i tranzystory MOSFET zostały zastosowane komercyjnie.
Wysoka odporność na temperaturę. Szerokość przerwy energetycznej węglika krzemu jest 2-3 razy większa niż krzemu, elektrony nie są łatwe do przejścia w wysokich temperaturach i mogą wytrzymać wyższe temperatury robocze, a przewodność cieplna węglika krzemu jest 4-5 razy większa niż krzemu, co ułatwia rozpraszanie ciepła przez urządzenie i zwiększa graniczną temperaturę roboczą. Wysoka odporność na temperaturę może znacznie zwiększyć gęstość mocy, jednocześnie zmniejszając wymagania dotyczące układu chłodzenia, dzięki czemu terminal jest lżejszy i mniejszy.
Wytrzymuje wysokie ciśnienie. Wytrzymałość pola elektrycznego przebicia węglika krzemu jest 10 razy większa niż krzemu, który wytrzymuje wyższe napięcia i jest bardziej odpowiedni do urządzeń wysokonapięciowych.
Wysoka częstotliwość oporu. Węglik krzemu ma szybkość dryfu elektronów nasyconych dwukrotnie większą niż krzem, co skutkuje brakiem ogonowania prądu podczas procesu wyłączania, co może skutecznie poprawić częstotliwość przełączania urządzenia i zrealizować miniaturyzację urządzenia.
Niska strata energii. W porównaniu z materiałem krzemowym, węglik krzemu ma bardzo niską rezystancję włączenia i niską stratę włączenia. Jednocześnie duża szerokość przerwy energetycznej węglika krzemu znacznie zmniejsza prąd upływu i stratę mocy. Ponadto urządzenie z węglika krzemu nie ma zjawiska spływania prądu podczas procesu wyłączania, a strata przełączania jest niska.
Łańcuch przemysłowy węglika krzemu
Obejmuje głównie podłoże, epitaksję, projektowanie urządzeń, produkcję, uszczelnianie itd. Węglik krzemu z materiału do półprzewodnikowego urządzenia zasilającego będzie doświadczał wzrostu pojedynczego kryształu, krojenia wlewków, wzrostu epitaksjalnego, projektowania płytek, produkcji, pakowania i innych procesów. Po syntezie proszku węglika krzemu najpierw wytwarza się wlewki węglika krzemu, a następnie podłoże węglika krzemu uzyskuje się przez krojenie, szlifowanie i polerowanie, a arkusz epitaksjalny uzyskuje się przez wzrost epitaksjalny. Wafel epitaksjalny jest wykonany z węglika krzemu poprzez litografię, trawienie, implantację jonów, pasywację metalu i inne procesy, wafel jest cięty na matrycę, urządzenie jest pakowane, a urządzenie jest łączone w specjalną powłokę i montowane w module.
W górę łańcucha przemysłowego 1: podłoże – wzrost kryształów stanowi główne ogniwo procesu
Podłoże z węglika krzemu stanowi około 47% kosztów urządzeń z węglika krzemu, najwyższe bariery techniczne w produkcji, największa wartość, jest sednem przyszłej industrializacji SiC na dużą skalę.
Z perspektywy różnic właściwości elektrochemicznych, materiały podłoża z węglika krzemu można podzielić na podłoża przewodzące (obszar rezystywności 15~30 mΩ·cm) i podłoża półizolowane (rezystywność wyższa niż 105 Ω·cm). Te dwa rodzaje podłoży są używane do produkcji dyskretnych urządzeń, takich jak urządzenia mocy i urządzenia częstotliwości radiowej, odpowiednio po wzroście epitaksjalnym. Spośród nich, podłoże półizolowane z węglika krzemu jest używane głównie do produkcji urządzeń RF azotku galu, urządzeń fotoelektrycznych itd. Poprzez wzrost warstwy epitaksjalnej gan na półizolowanym podłożu SIC, przygotowywana jest płytka epitaksjalna sic, którą można dalej przygotować do urządzeń RF izo-azotku HEMT gan. Przewodzące podłoże z węglika krzemu jest używane głównie do produkcji urządzeń mocy. W odróżnieniu od tradycyjnego procesu produkcji elementów mocy z krzemu, elementy mocy z węglika krzemu nie mogą być bezpośrednio wykonane na podłożu z węglika krzemu. Warstwa epitaksjalna węglika krzemu musi zostać wytworzona na przewodzącym podłożu, aby uzyskać warstwę epitaksjalną węglika krzemu. Warstwa epitaksjalna jest wytwarzana na diodach Schottky'ego, tranzystorach MOSFET, IGBT i innych elementach mocy.
Proszek węglika krzemu został zsyntetyzowany z proszku węglowego o wysokiej czystości i proszku krzemowego o wysokiej czystości, a różne rozmiary wlewków węglika krzemu zostały wyhodowane w specjalnym polu temperaturowym, a następnie podłoże węglika krzemu zostało wyprodukowane poprzez wiele procesów przetwarzania. Główny proces obejmuje:
Synteza surowców: Proszek krzemu o wysokiej czystości + toner miesza się zgodnie z formułą, a reakcję przeprowadza się w komorze reakcyjnej w warunkach wysokiej temperatury powyżej 2000°C w celu syntezy cząstek węglika krzemu o określonym typie kryształu i rozmiarze cząstek. Następnie przez kruszenie, przesiewanie, czyszczenie i inne procesy, aby spełnić wymagania dotyczące surowców w postaci proszku węglika krzemu o wysokiej czystości.
Wzrost kryształów jest podstawowym procesem produkcji podłoża z węglika krzemu, który określa właściwości elektryczne podłoża z węglika krzemu. Obecnie głównymi metodami wzrostu kryształów są fizyczny transfer z fazy gazowej (PVT), osadzanie chemiczne z fazy gazowej w wysokiej temperaturze (HT-CVD) i epitaksja w fazie ciekłej (LPE). Spośród nich metoda PVT jest obecnie główną metodą komercyjnego wzrostu podłoża SiC, o najwyższej dojrzałości technicznej i najszerzej stosowaną w inżynierii.
Przygotowanie podłoża SiC jest trudne, co powoduje jego wysoką cenę
Kontrola pola temperaturowego jest trudna: wzrost pręta kryształu Si wymaga tylko 1500℃, podczas gdy pręt kryształu SiC musi być hodowany w wysokiej temperaturze powyżej 2000℃, a istnieje ponad 250 izomerów SiC, ale główna struktura pojedynczego kryształu 4H-SiC do produkcji urządzeń energetycznych, jeśli nie będzie precyzyjnej kontroli, otrzyma inne struktury krystaliczne. Ponadto gradient temperatury w tyglu określa szybkość transferu sublimacji SiC oraz układ i tryb wzrostu atomów gazowych na interfejsie kryształu, co wpływa na szybkość wzrostu kryształu i jakość kryształu, dlatego konieczne jest utworzenie systematycznej technologii kontroli pola temperaturowego. W porównaniu z materiałami Si, różnica w produkcji SiC występuje również w procesach wysokotemperaturowych, takich jak implantacja jonów w wysokiej temperaturze, utlenianie w wysokiej temperaturze, aktywacja w wysokiej temperaturze i proces twardej maski wymagany przez te procesy wysokotemperaturowe.
Powolny wzrost kryształów: szybkość wzrostu pręta krystalicznego Si może osiągnąć 30 ~ 150 mm/h, a produkcja pręta krystalicznego krzemu o długości 1-3 m trwa tylko około 1 dnia; na przykład pręt krystaliczny SiC z metodą PVT, szybkość wzrostu wynosi około 0,2-0,4 mm/h, 7 dni na wzrost mniejszy niż 3-6 cm, szybkość wzrostu wynosi mniej niż 1% materiału krzemowego, zdolność produkcyjna jest wyjątkowo ograniczona.
Wysokie parametry produktu i niska wydajność: podstawowe parametry podłoża SiC obejmują gęstość mikrotubul, gęstość dyslokacji, rezystywność, odkształcenia, chropowatość powierzchni itp. Ułożenie atomów w zamkniętej komorze wysokotemperaturowej i ukończenie wzrostu kryształu to złożony system inżynieryjny, przy jednoczesnej kontroli wskaźników parametrów.
Materiał ma wysoką twardość, wysoką kruchość, długi czas cięcia i wysokie zużycie: twardość SiC Mohs 9,25 ustępuje jedynie diamentowi, co prowadzi do znacznego wzrostu trudności cięcia, szlifowania i polerowania, a cięcie 35-40 kawałków wlewka o grubości 3 cm zajmuje około 120 godzin. Ponadto, ze względu na wysoką kruchość SiC, zużycie obróbki płytek będzie większe, a współczynnik wyjściowy wynosi tylko około 60%.
Trend rozwojowy: Wzrost rozmiaru + spadek ceny
Globalny rynek SiC 6-calowa linia produkcyjna dojrzewa, a wiodące firmy weszły na rynek 8-calowy. Krajowe projekty rozwojowe dotyczą głównie 6 cali. Obecnie, chociaż większość krajowych firm nadal opiera się na 4-calowych liniach produkcyjnych, ale branża stopniowo rozszerza się na 6 cali, wraz z dojrzałością technologii sprzętu pomocniczego 6-calowego, krajowa technologia podłoża SiC również stopniowo poprawia ekonomię skali dużych linii produkcyjnych, co zostanie odzwierciedlone, a obecna luka czasowa krajowej masowej produkcji 6 cali zmniejszyła się do 7 lat. Większy rozmiar wafla może spowodować wzrost liczby pojedynczych chipów, poprawić współczynnik wydajności i zmniejszyć udział chipów krawędziowych, a koszt badań i rozwoju oraz strata wydajności zostaną utrzymane na poziomie około 7%, co poprawi wykorzystanie wafli.
W projektowaniu urządzeń nadal istnieje wiele trudności
Komercjalizacja diody SiC jest stopniowo ulepszana, obecnie wielu krajowych producentów zaprojektowało produkty SiC SBD, produkty SiC SBD średniego i wysokiego napięcia mają dobrą stabilność, w pojeździe OBC, zastosowanie SiC SBD+SI IGBT w celu uzyskania stabilnej gęstości prądu. Obecnie nie ma barier w projektowaniu patentowym produktów SiC SBD w Chinach, a luka w stosunku do krajów zagranicznych jest niewielka.
SiC MOS nadal ma wiele trudności, nadal istnieje luka między SiC MOS a producentami zagranicznymi, a odpowiednia platforma produkcyjna jest nadal w budowie. Obecnie ST, Infineon, Rohm i inne 600-1700V SiC MOS osiągnęły masową produkcję i podpisały i wysłały do wielu branż produkcyjnych, podczas gdy obecny krajowy projekt SiC MOS został zasadniczo ukończony, wielu producentów projektów współpracuje z fabrykami na etapie przepływu płytek, a późniejsza weryfikacja przez klienta nadal wymaga czasu, więc nadal jest dużo czasu do komercjalizacji na dużą skalę.
Obecnie struktura planarna jest głównym wyborem, a typ rowkowy jest szeroko stosowany w dziedzinie wysokiego ciśnienia w przyszłości. Struktura planarna SiC MOS producentów jest wielu, struktura planarna nie jest łatwa do wytworzenia lokalnych problemów z awarią w porównaniu z rowkiem, co wpływa na stabilność pracy, na rynku poniżej 1200 V ma szeroki zakres wartości aplikacji, a struktura planarna jest stosunkowo prosta w końcowej fazie produkcji, aby spełnić dwa aspekty możliwości produkcji i kontroli kosztów. Urządzenie rowkowe ma zalety wyjątkowo niskiej indukcyjności pasożytniczej, szybkiej prędkości przełączania, niskich strat i stosunkowo wysokiej wydajności.
2--Wiadomości o płytkach SiC
Wzrost produkcji i sprzedaży na rynku węglika krzemu, zwróć uwagę na strukturalną nierównowagę między podażą a popytem
Wraz z szybkim wzrostem popytu rynkowego na elektronikę mocy o wysokiej częstotliwości i dużej mocy, wąskie gardło fizycznych ograniczeń urządzeń półprzewodnikowych na bazie krzemu stopniowo stało się widoczne, a materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji reprezentowane przez węglik krzemu (SiC) stopniowo stały się uprzemysłowione. Z punktu widzenia wydajności materiału, węglik krzemu ma 3 razy większą szerokość przerwy energetycznej niż materiał krzemowy, 10 razy większą krytyczną wytrzymałość pola elektrycznego przebicia, 3 razy większą przewodność cieplną, więc urządzenia mocy z węglika krzemu nadają się do zastosowań o wysokiej częstotliwości, wysokim ciśnieniu, wysokiej temperaturze i innych, pomagając poprawić wydajność i gęstość mocy systemów elektroniki mocy.
Obecnie diody SiC i tranzystory MOSFET SiC stopniowo trafiają na rynek, a na rynku pojawiają się bardziej dojrzałe produkty, wśród których diody SiC są szeroko stosowane zamiast diod krzemowych w niektórych dziedzinach, ponieważ nie mają zalet odwrotnego ładowania; tranzystory MOSFET SiC są stopniowo stosowane również w motoryzacji, magazynowaniu energii, stosach ładujących, ogniwach fotowoltaicznych i innych dziedzinach; w dziedzinie zastosowań motoryzacyjnych trend modularności staje się coraz bardziej widoczny, wyższa wydajność SiC musi opierać się na zaawansowanych procesach pakowania, aby osiągnąć, technicznie przy stosunkowo dojrzałym uszczelnieniu powłoki jako głównym nurcie, w przyszłości lub w przypadku rozwoju uszczelnień z tworzyw sztucznych, jego dostosowane cechy rozwoju są bardziej odpowiednie dla modułów SiC.
Prędkość spadku cen węglika krzemu przekraczająca wyobraźnię
Zastosowanie urządzeń z węglika krzemu jest ograniczone głównie wysokimi kosztami, cena SiC MOSFET poniżej tego samego poziomu jest 4 razy wyższa niż cena IGBT na bazie Si, ponieważ proces węglika krzemu jest złożony, w którym wzrost monokryształu i epitaksjalny jest nie tylko niekorzystny dla środowiska, ale także tempo wzrostu jest powolne, a przetwarzanie monokryształu w podłożu musi przejść przez proces cięcia i polerowania. Na podstawie własnych cech materiałowych i niedojrzałej technologii przetwarzania, wydajność krajowego podłoża wynosi mniej niż 50%, a różne czynniki prowadzą do wysokich cen podłoża i epitaksjalnego.
Jednakże skład kosztów urządzeń z węglika krzemu i urządzeń na bazie krzemu jest diametralnie różny, koszty podłoża i epitaksjalne kanału przedniego stanowią odpowiednio 47% i 23% całego urządzenia, łącznie około 70%, projekt urządzenia, produkcja i połączenia uszczelniające kanału tylnego stanowią tylko 30%, koszt produkcji urządzeń na bazie krzemu koncentruje się głównie na produkcji płytek kanału tylnego około 50%, a koszt podłoża stanowi tylko 7%. Zjawisko wartości łańcucha przemysłowego węglika krzemu do góry nogami oznacza, że producenci epitaksji podłoża w górnym biegu rzeki mają główne prawo do głosu, co jest kluczem do układu przedsiębiorstw krajowych i zagranicznych.
Z dynamicznego punktu widzenia rynku, obniżenie kosztów węglika krzemu, oprócz ulepszenia długiego kryształu węglika krzemu i procesu krojenia, ma na celu zwiększenie rozmiaru wafli, co jest również dojrzałą ścieżką rozwoju półprzewodników w przeszłości, dane Wolfspeed pokazują, że ulepszenie podłoża węglika krzemu z 6 cali do 8 cali, kwalifikowana produkcja chipów może wzrosnąć o 80%-90% i pomóc poprawić wydajność. Może zmniejszyć łączny koszt jednostkowy o 50%.
Rok 2023 jest znany jako „pierwszy rok 8-calowego węglika krzemu”, w tym roku krajowi i zagraniczni producenci węglika krzemu przyspieszają układanie 8-calowego węglika krzemu, na przykład szalona inwestycja Wolfspeed w wysokości 14,55 miliarda dolarów amerykańskich na rozbudowę produkcji węglika krzemu, której ważną częścią jest budowa zakładu produkcyjnego 8-calowego podłoża SiC. Aby zapewnić przyszłe dostawy 200 mm gołego metalu SiC do wielu firm; Krajowe Tianyue Advanced i Tianke Heda podpisały również długoterminowe umowy z Infineon na dostawę 8-calowych podłoży z węglika krzemu w przyszłości.
Począwszy od tego roku węglik krzemu przyspieszy z 6 cali do 8 cali, Wolfspeed spodziewa się, że do 2024 r. jednostkowy koszt chipa 8-calowego podłoża w porównaniu do jednostkowego kosztu chipa 6-calowego podłoża w 2022 r. zostanie zmniejszony o ponad 60%, a spadek kosztów jeszcze bardziej otworzy rynek aplikacji, wskazały dane badawcze Ji Bond Consulting. Obecny udział w rynku produktów 8-calowych wynosi mniej niż 2%, a oczekuje się, że udział w rynku wzrośnie do około 15% do 2026 r.
W rzeczywistości tempo spadku cen podłoża z węglika krzemu może przekroczyć wyobrażenia wielu osób. Obecna oferta rynkowa 6-calowego podłoża wynosi 4000-5000 juanów/sztukę. W porównaniu z początkiem roku znacznie spadła. Oczekuje się, że w przyszłym roku spadnie poniżej 4000 juanów. Warto zauważyć, że niektórzy producenci, aby zdobyć pierwszy rynek, obniżyli cenę sprzedaży do poniższej linii kosztów. Otworzyło to model wojny cenowej, skoncentrowanej głównie na dostawach podłoża z węglika krzemu, które były stosunkowo wystarczające w dziedzinie niskiego napięcia. Krajowi i zagraniczni producenci agresywnie zwiększają moce produkcyjne lub pozwalają, aby nadpodaż podłoża z węglika krzemu wystąpiła wcześniej, niż sobie wyobrażano.
Czas publikacji: 19-01-2024