Wprowadzenie do węglika krzemu
Węglik krzemu (SiC) to złożony materiał półprzewodnikowy składający się z węgla i krzemu, który jest jednym z idealnych materiałów do wytwarzania urządzeń pracujących w wysokiej temperaturze, wysokiej częstotliwości, dużej mocy i wysokim napięciu.W porównaniu z tradycyjnym materiałem krzemowym (Si), pasmo wzbronione węglika krzemu jest 3 razy większe niż w przypadku krzemu.Przewodność cieplna jest 4-5 razy większa niż w przypadku krzemu;Napięcie przebicia jest 8-10 razy większe niż w przypadku krzemu;Współczynnik dryftu nasycenia elektronicznego jest 2-3 razy większy niż w przypadku krzemu, co spełnia potrzeby nowoczesnego przemysłu w zakresie dużej mocy, wysokiego napięcia i wysokiej częstotliwości.Stosowany jest głównie do produkcji szybkich, wysokiej częstotliwości, dużej mocy i elementów elektronicznych emitujących światło.Dalsze obszary zastosowań obejmują inteligentne sieci, nowe pojazdy energetyczne, fotowoltaiczną energię wiatrową, komunikację 5G itp. Na rynku zastosowano diody z węglika krzemu i tranzystory MOSFET.
Odporność na wysoką temperaturę.Szerokość pasma wzbronionego węglika krzemu jest 2-3 razy większa niż w przypadku 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 w przypadku krzemu, co ułatwia odprowadzanie ciepła z urządzenia i podnosi dopuszczalną temperaturę pracy.Odporność na wysoką temperaturę może znacznie zwiększyć gęstość mocy, jednocześnie zmniejszając wymagania dotyczące układu chłodzenia, dzięki czemu terminal jest lżejszy i mniejszy.
Wytrzymaj wysokie ciśnienie.Natężenie pola elektrycznego przebicia węglika krzemu jest 10 razy większe niż w przypadku krzemu, który może wytrzymać wyższe napięcia i jest bardziej odpowiedni dla urządzeń wysokiego napięcia.
Odporność na wysoką częstotliwość.Węglik krzemu charakteryzuje się szybkością dryfu nasyconych elektronów dwukrotnie większą niż krzem, co skutkuje brakiem prądu końcowego podczas procesu wyłączania, co może skutecznie poprawić częstotliwość przełączania urządzenia i zrealizować miniaturyzację urządzenia.
Niskie straty energii.W porównaniu z materiałem krzemowym, węglik krzemu ma bardzo niską rezystancję włączenia i niskie straty włączenia.Jednocześnie duża szerokość pasma wzbronionego węglika krzemu znacznie zmniejsza prąd upływowy i straty mocy.Ponadto w urządzeniu z węglika krzemu nie występuje zjawisko upływania prądu podczas procesu wyłączania, a straty przełączania są niskie.
Łańcuch przemysłu węglika krzemu
Obejmuje głównie podłoże, epitaksję, projekt urządzenia, produkcję, uszczelnianie i tak dalej.Węglik krzemu z materiału do półprzewodnikowego urządzenia zasilającego będzie podlegał wzrostowi monokryształów, krojeniu wlewków, wzrostowi epitaksjalnemu, projektowaniu płytek, wytwarzaniu, pakowaniu i innym procesom.Po syntezie proszku węglika krzemu w pierwszej kolejności wytwarza się wlewek węglika krzemu, następnie przez krojenie, mielenie i polerowanie otrzymuje się podłoże z węglika krzemu, a poprzez wzrost epitaksjalny otrzymuje się arkusz epitaksjalny.Płytka epitaksjalna jest wytwarzana z węglika krzemu poprzez litografię, trawienie, implantację jonów, pasywację metalu i inne procesy, płytka jest cięta na matrycę, urządzenie jest pakowane, a urządzenie jest łączone w specjalną osłonę i montowane w moduł.
Przed łańcuchem przemysłowym 1: substrat – wzrost kryształów jest głównym ogniwem procesu
Podłoże z węglika krzemu stanowi około 47% kosztów urządzeń z węglika krzemu, najwyższe bariery techniczne w produkcji, największa wartość, jest podstawą przyszłej industrializacji SiC na dużą skalę.
Z punktu widzenia różnic właściwości elektrochemicznych, materiały podłoża z węglika krzemu można podzielić na podłoża przewodzące (zakres rezystywności 15 ~ 30 mΩ·cm) i podłoża półizolowane (rezystywność wyższa niż 105 Ω·cm).Te dwa rodzaje podłoży są wykorzystywane do wytwarzania dyskretnych urządzeń, takich jak urządzenia zasilające i urządzenia o częstotliwości radiowej, odpowiednio po wzroście epitaksjalnym.Wśród nich półizolowane podłoże z węglika krzemu jest stosowane głównie do produkcji urządzeń RF z azotku galu, urządzeń fotoelektrycznych i tak dalej.Hodując warstwę epitaksjalną gan na półizolowanym podłożu SIC, przygotowuje się taką płytkę epitaksjalną, którą można dalej przygotować w urządzenia RF z izoazotkiem HEMT gan.Przewodzące podłoże z węglika krzemu stosowane jest głównie w produkcji urządzeń zasilających.W odróżnieniu od tradycyjnego procesu wytwarzania urządzeń zasilających z węglika krzemu, urządzenia zasilającego z węglika krzemu nie można wykonać bezpośrednio na podłożu z węglika krzemu, warstwa epitaksjalna z węglika krzemu musi zostać wyhodowana na podłożu przewodzącym, aby uzyskać arkusz epitaksjalny z węglika krzemu oraz warstwę epitaksjalną warstwa jest wytwarzana na diodzie Schottky'ego, MOSFET, IGBT i innych urządzeniach zasilających.
Proszek węglika krzemu zsyntetyzowano z proszku węgla o wysokiej czystości i proszku krzemu o wysokiej czystości, a wlewki węglika krzemu o różnej wielkości hodowano w specjalnym polu temperatury, a następnie wytworzono podłoże z węglika krzemu w wielu procesach przetwarzania.Podstawowy proces obejmuje:
Synteza surowców: Proszek krzemu o wysokiej czystości + toner miesza się zgodnie ze wzorem, 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 cząstce rozmiar.Następnie poprzez kruszenie, przesiewanie, czyszczenie i inne procesy, aby spełnić wymagania surowców w postaci proszku węglika krzemu o wysokiej czystości.
Wzrost kryształów jest podstawowym procesem wytwarzania podłoża z węglika krzemu, który określa właściwości elektryczne podłoża z węglika krzemu.Obecnie głównymi metodami wzrostu kryształów są fizyczny transfer z fazy gazowej (PVT), chemiczne osadzanie z fazy gazowej w wysokiej temperaturze (HT-CVD) i epitaksja w fazie ciekłej (LPE).Wśród nich metoda PVT jest obecnie główną metodą komercyjnego wzrostu podłoża SiC, o najwyższej dojrzałości technicznej i najczęściej stosowaną w inżynierii.
Przygotowanie podłoża SiC jest trudne, co prowadzi do jego wysokiej ceny
Kontrola pola temperaturowego jest trudna: wzrost pręta kryształu Si wymaga jedynie 1500 ℃, podczas gdy pręt kryształu SiC musi być hodowany w wysokiej temperaturze powyżej 2000 ℃ i istnieje ponad 250 izomerów SiC, ale główna struktura monokrystaliczna 4H-SiC dla produkcja urządzeń zasilających, jeśli nie precyzyjna kontrola, uzyska inne struktury krystaliczne.Dodatkowo gradient temperatury w tyglu determinuje szybkość transferu sublimacji SiC oraz rozmieszczenie i sposób wzrostu atomów gazowych na granicy faz kryształu, co wpływa na szybkość wzrostu kryształu i jakość kryształu, dlatego konieczne jest utworzenie systematycznego pola temperaturowego technologia sterowania.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 oraz proces twardej maski wymagany w tych procesach wysokotemperaturowych.
Powolny wzrost kryształów: tempo wzrostu pręta z kryształu Si może osiągnąć 30 ~ 150 mm/h, a produkcja pręta z kryształu krzemu o długości 1-3 m zajmuje tylko około 1 dzień;Pręt kryształowy SiC z metodą PVT jako przykład, tempo wzrostu wynosi około 0,2-0,4 mm/h, 7 dni na wzrost mniejszy niż 3-6 cm, tempo wzrostu jest mniejsze niż 1% materiału krzemowego, zdolność produkcyjna jest niezwykle ograniczony.
Wysokie parametry produktu i niska wydajność: podstawowe parametry podłoża SiC obejmują gęstość mikrotubul, gęstość dyslokacji, rezystywność, wypaczenia, chropowatość powierzchni itp. Jest to złożona inżynieria systemowa polegająca na ułożeniu atomów w zamkniętej komorze wysokotemperaturowej i całkowitym wzroście kryształów, podczas kontrolowania indeksów parametrów.
Materiał charakteryzuje się dużą twardością, dużą kruchością, długim czasem skrawania i dużym zużyciem: SiC o twardości 9,25 w skali Mohsa ustępuje jedynie diamentowi, co prowadzi do znacznego wzrostu trudności cięcia, szlifowania i polerowania, a jego wytworzenie zajmuje około 120 godzin. pociąć 35-40 kawałków wlewka o grubości 3 cm.Ponadto, ze względu na wysoką kruchość SiC, zużycie podczas obróbki płytek będzie większe, a współczynnik wyjściowy wyniesie tylko około 60%.
Trend rozwojowy: Wzrost wielkości + spadek ceny
Linia do produkcji 6-calowych wolumenów na światowym rynku SiC dojrzewa, a wiodące firmy weszły na rynek 8-calowy.Krajowe projekty deweloperskie mają głównie 6 cali.Obecnie, chociaż większość krajowych firm nadal opiera się na 4-calowych liniach produkcyjnych, ale branża stopniowo rozszerza się do 6-calowych, wraz z dojrzałością 6-calowej technologii sprzętu pomocniczego, krajowa technologia substratów SiC również stopniowo poprawia ekonomikę odzwierciedlona zostanie skala wielkogabarytowych linii produkcyjnych, a obecna luka czasowa w krajowej 6-calowej produkcji masowej na skalę masową zawęziła się do 7 lat.Większy rozmiar płytki może spowodować wzrost liczby pojedynczych wiórów, poprawić współczynnik wydajności i zmniejszyć odsetek wiórów krawędziowych, a koszty badań i rozwoju oraz utrata wydajności zostaną utrzymane na poziomie około 7%, poprawiając w ten sposób płytkę wykorzystanie.
Nadal istnieje wiele trudności w projektowaniu urządzeń
Komercjalizacja diody SiC ulega stopniowej poprawie, 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 osiągnięcia stabilności gęstość prądu.Obecnie w Chinach nie ma barier w projektowaniu patentów na produkty SiC SBD, a różnica w stosunku do innych krajów jest niewielka.
SiC MOS nadal napotyka wiele trudności, nadal istnieje przepaść pomiędzy SiC MOS a producentami zagranicznymi, a odpowiednia platforma produkcyjna jest wciąż w budowie.Obecnie ST, Infineon, Rohm i inne 600-1700 V SiC MOS osiągnęły masową produkcję oraz podpisały kontrakty i zostały wysłane do wielu gałęzi przemysłu, podczas gdy obecny krajowy projekt SiC MOS został w zasadzie ukończony, wielu producentów projektowych współpracuje z fabrykami w etap przepływu wafli, a później weryfikacja u klienta wymaga jeszcze trochę czasu, więc do komercjalizacji na dużą skalę jeszcze dużo czasu.
Obecnie głównym wyborem jest płaska struktura, a typ rowu będzie w przyszłości szeroko stosowany w polu wysokiego ciśnienia.Jest wielu producentów SiC MOS o strukturze płaskiej, płaska struktura nie jest łatwa do spowodowania lokalnych problemów z awarią w porównaniu z rowkiem, wpływających na stabilność pracy, na rynku poniżej 1200 V ma szeroki zakres wartości zastosowania, a płaska struktura jest stosunkowo proste pod względem produkcyjnym, aby spełnić dwa aspekty: możliwości produkcyjne i kontrola kosztów.Urządzenie rowkowe ma zalety wyjątkowo niskiej indukcyjności pasożytniczej, dużej prędkości przełączania, niskich strat i stosunkowo wysokiej wydajności.
2 – Nowości dotyczące płytek SiC
Produkcja na rynku węglika krzemu i wzrost sprzedaży, należy zwrócić uwagę na strukturalną nierównowagę między podażą a popytem
Wraz z szybkim wzrostem zapotrzebowania rynku na elektronikę o wysokiej częstotliwości i dużej mocy, fizyczne wąskie gardło w urządzeniach półprzewodnikowych na bazie krzemu stopniowo stało się widoczne, a materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji reprezentowane przez węglik krzemu (SiC) stopniowo uprzemysławiać się.Z punktu widzenia wydajności materiału, węglik krzemu ma 3 razy większą szerokość pasma wzbronionego niż materiał krzemowy, 10 razy większe natężenie pola elektrycznego przebicia krytycznego, 3 razy większą przewodność cieplną, więc urządzenia mocy z węglika krzemu nadają się do wysokich częstotliwości i wysokiego ciśnienia, wysokie temperatury i inne zastosowania, pomagają poprawić wydajność i gęstość mocy systemów energoelektronicznych.
Obecnie diody SiC i tranzystory MOSFET SiC są stopniowo wprowadzane na rynek, a istnieją bardziej dojrzałe produkty, wśród których w niektórych dziedzinach powszechnie stosowane są diody SiC zamiast diod na bazie krzemu, ponieważ nie mają one zalety polegającej na odwróceniu ładunku zwrotnego;SiC MOSFET jest również stopniowo stosowany w motoryzacji, magazynowaniu energii, stosach ładujących, fotowoltaice i innych dziedzinach;W obszarze zastosowań motoryzacyjnych trend modularyzacji staje się coraz bardziej widoczny, doskonała wydajność SiC musi opierać się na zaawansowanych procesach pakowania, aby osiągnąć, technicznie przy stosunkowo dojrzałym uszczelnieniu skorupy jako główny nurt, przyszłość lub rozwój uszczelnień z tworzyw sztucznych , jego dostosowane cechy rozwojowe są bardziej odpowiednie dla modułów SiC.
Prędkość spadku cen węglika krzemu przekracza wyobraźnię
Zastosowanie urządzeń z węglika krzemu jest ograniczone głównie przez wysoki koszt, cena SiC MOSFET na tym samym poziomie jest 4 razy wyższa niż cena IGBT na bazie Si, dzieje się tak dlatego, że proces wytwarzania węglika krzemu jest złożony, w którym wzrost monokrystaliczny i epitaksjalny jest nie tylko trudny dla środowiska, ale także tempo wzrostu jest powolne, a przetwarzanie monokryształu w podłoże musi przejść proces cięcia i polerowania.W oparciu o własne właściwości materiałowe i niedojrzałą technologię przetwarzania, wydajność krajowego podłoża jest mniejsza niż 50%, a różne czynniki prowadzą do wysokich cen substratów i epitaksjów.
Jednakże skład kosztów urządzeń z węglika krzemu i urządzeń na bazie krzemu jest diametralnie odwrotny, koszty podłoża i epitaksjalnego kanału przedniego stanowią odpowiednio 47% i 23% całego urządzenia, łącznie około 70%, projekt urządzenia, produkcja i złącza uszczelniające tylnego kanału stanowią jedynie 30%, koszt produkcji urządzeń na bazie krzemu koncentruje się głównie na produkcji płytek tylnego kanału w około 50%, a koszt podłoża stanowi jedynie 7%.Zjawisko wywrócenia wartości łańcucha przemysłu węglika krzemu do góry nogami oznacza, że producenci epitaksji substratów wyższego szczebla mają podstawowe prawo do wypowiadania się, co jest kluczem do układu przedsiębiorstw krajowych i zagranicznych.
Z dynamicznego punktu widzenia rynku obniżenie kosztu węglika krzemu, oprócz ulepszenia procesu długich kryształów i cięcia węglika krzemu, polega na zwiększeniu rozmiaru płytki, co jest również dojrzałą ścieżką rozwoju półprzewodników w przeszłości, Dane firmy Wolfspeed pokazują, że po modernizacji podłoża z węglika krzemu z 6 cali do 8 cali produkcja kwalifikowanych chipów może wzrosnąć o 80–90% i pomóc poprawić wydajność.Może obniżyć łączny koszt jednostkowy o 50%.
Rok 2023 jest znany jako „pierwszy rok 8-calowego SiC”. W tym roku krajowi i zagraniczni producenci węglika krzemu przyspieszają produkcję 8-calowego węglika krzemu, na przykład szalona inwestycja Wolfspeed o wartości 14,55 miliarda dolarów amerykańskich na rozwój produkcji węglika krzemu, którego ważną częścią jest budowa zakładu produkującego 8-calowe podłoża SiC, w celu zapewnienia przyszłych dostaw gołego metalu SiC o grubości 200 mm dla wielu firm;Krajowe Tianyue Advanced i Tianke Heda podpisały również długoterminowe umowy z firmą Infineon na dostawę w przyszłości 8-calowych podłoży z węglika krzemu.
Począwszy od tego roku, węglik krzemu przyspieszy z 6 cali do 8 cali. Wolfspeed spodziewa się, że do 2024 r. jednostkowy koszt chipa dla 8-calowego podłoża w porównaniu z jednostkowym kosztem chipa dla 6-calowego podłoża w 2022 r. zostanie zmniejszony o ponad 60% , a spadek kosztów jeszcze bardziej otworzy rynek aplikacji, jak wykazały dane badawcze Ji Bond Consulting.Obecny udział w rynku produktów 8-calowych wynosi niecałe 2%, a oczekuje się, że do 2026 r. udział w rynku wzrośnie do około 15%.
Tak naprawdę tempo spadku cen podłoża z węglika krzemu może przekroczyć wyobraźnię wielu osób, obecna oferta rynkowa 6-calowego podłoża to 4000-5000 juanów za sztukę, w porównaniu z początkiem roku znacznie spadła, jest 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, otworzyli model wojny cenowej, skoncentrowanej głównie na podłożu z węglika krzemu podaż w obszarze niskiego napięcia jest stosunkowo wystarczająca, producenci krajowi i zagraniczni agresywnie zwiększają moce produkcyjne lub pozwalają na wystąpienie nadpodaży substratu z węglika krzemu wcześniej niż oczekiwano.
Czas publikacji: 19 stycznia 2024 r