Hyrje në karbidin e silikonit
Karbidi i silikonit (SiC) është një material gjysmëpërçues i përbërë nga karboni dhe silici, i cili është një nga materialet ideale për prodhimin e pajisjeve me temperaturë të lartë, frekuencë të lartë, fuqi të lartë dhe tension të lartë. Krahasuar me materialin tradicional të silikonit (Si), boshllëku i brezit të karbidit të silikonit është 3 herë më i madh se ai i silikonit. Përçueshmëria termike është 4-5 herë më e madhe se ajo e silikonit; Tensioni i prishjes është 8-10 herë më i madh se ai i silikonit; Shkalla e zhvendosjes së ngopjes elektronike është 2-3 herë më e madhe se ajo e silikonit, gjë që plotëson nevojat e industrisë moderne për fuqi të lartë, tension të lartë dhe frekuencë të lartë. Përdoret kryesisht për prodhimin e komponentëve elektronikë me shpejtësi të lartë, frekuencë të lartë, fuqi të lartë dhe që lëshojnë dritë. Fushat e aplikimit në rrjedhën e poshtme përfshijnë rrjetin inteligjent, automjetet me energji të re, energjinë fotovoltaike të erës, komunikimin 5G, etj. Diodat dhe MOSFET-et e karbidit të silikonit janë aplikuar komercialisht.
Rezistencë ndaj temperaturave të larta. Gjerësia e boshllëkut të brezit të karbidit të silikonit është 2-3 herë më e madhe se ajo e silikonit, elektronet nuk kalojnë lehtë në temperatura të larta dhe mund t'i rezistojnë temperaturave më të larta të funksionimit, dhe përçueshmëria termike e karbidit të silikonit është 4-5 herë më e madhe se ajo e silikonit, duke e bërë shpërndarjen e nxehtësisë së pajisjes më të lehtë dhe temperaturën kufitare të funksionimit më të lartë. Rezistenca ndaj temperaturave të larta mund të rrisë ndjeshëm dendësinë e fuqisë, duke zvogëluar kërkesat për sistemin e ftohjes, duke e bërë terminalin më të lehtë dhe më të vogël.
I reziston presionit të lartë. Forca e fushës elektrike të zbërthimit të karbidit të silikonit është 10 herë më e madhe se ajo e silikonit, i cili mund të përballojë tensione më të larta dhe është më i përshtatshëm për pajisjet me tension të lartë.
Rezistencë ndaj frekuencës së lartë. Karbidi i silikonit ka një shkallë zhvendosjeje të elektroneve të ngopura dyfish më të madhe se silici, duke rezultuar në mungesë të rënies së rrymës gjatë procesit të fikjes, gjë që mund të përmirësojë në mënyrë efektive frekuencën e ndërrimit të pajisjes dhe të realizojë miniaturizimin e pajisjes.
Humbje e ulët energjie. Krahasuar me materialin e silikonit, karbidi i silikonit ka rezistencë shumë të ulët ndezjeje dhe humbje të ulëta ndezjeje. Në të njëjtën kohë, gjerësia e lartë e boshllëkut të brezit të karbidit të silikonit zvogëlon shumë rrymën e rrjedhjes dhe humbjen e energjisë. Përveç kësaj, pajisja e karbidit të silikonit nuk ka fenomenin e tërheqjes së rrymës gjatë procesit të fikjes, dhe humbja e ndërrimit është e ulët.
Zinxhiri i industrisë së karbidit të silikonit
Kryesisht përfshin substratin, epitaksinë, projektimin e pajisjes, prodhimin, vulosjen e kështu me radhë. Karbidi i silikonit nga materiali në pajisjen gjysmëpërçuese të energjisë do të përjetojë rritje të kristalit të vetëm, prerjen e lingotit, rritjen epitaksiale, projektimin e pllakës së silikonit, prodhimin, paketimin dhe procese të tjera. Pas sintezës së pluhurit të karbidit të silikonit, së pari bëhet lingota e karbidit të silikonit, dhe më pas merret substrati i karbidit të silikonit me prerje, bluarje dhe lustrim, dhe fleta epitaksiale merret me rritje epitaksiale. Pllaka epitaksiale bëhet nga karbidi i silikonit përmes litografisë, gdhendjes, implantimit të joneve, pasivizimit të metalit dhe proceseve të tjera, pllaka pritet në matricë, pajisja paketohet dhe pajisja kombinohet në një guaskë të veçantë dhe montohet në një modul.
Në rrjedhën e sipërme të zinxhirit industrial 1: rritja e substratit - kristali është lidhja kryesore e procesit
Substrati i karabit të silikonit përbën rreth 47% të kostos së pajisjeve të karabit të silikonit, pengesat teknike më të larta të prodhimit, vlera më e madhe, është thelbi i industrializimit në shkallë të gjerë të SiC në të ardhmen.
Nga perspektiva e ndryshimeve në vetitë elektrokimike, materialet e substratit të karabit të silikonit mund të ndahen në substrate përçuese (rajoni i rezistencës 15~30mΩ·cm) dhe substrate gjysmë të izoluara (rezistencë më e lartë se 105Ω·cm). Këto dy lloje substratesh përdoren për të prodhuar pajisje diskrete siç janë pajisjet e energjisë dhe pajisjet e frekuencës radio përkatësisht pas rritjes epitaksiale. Midis tyre, substrati gjysmë i izoluar i karabit të silikonit përdoret kryesisht në prodhimin e pajisjeve RF të nitritit të galiumit, pajisjeve fotoelektrike e kështu me radhë. Duke rritur shtresën epitaksiale gan në substratin gjysmë të izoluar SIC, përgatitet pllaka epitaksiale sic, e cila mund të përgatitet më tej në pajisje RF HEMT gan izo-nitride. Substrati përçues i karabit të silikonit përdoret kryesisht në prodhimin e pajisjeve të energjisë. Ndryshe nga procesi tradicional i prodhimit të pajisjeve të energjisë prej silikoni, pajisja e energjisë prej karabit të silikonit nuk mund të prodhohet direkt në substratin e karabit të silikonit, shtresa epitaksiale e karabit të silikonit duhet të rritet në substratin përçues për të marrë fletën epitaksiale të karabit të silikonit, dhe shtresa epitaksiale prodhohet në diodën Schottky, MOSFET, IGBT dhe pajisje të tjera të energjisë.
Pluhuri i karbidit të silicit u sintetizua nga pluhuri i karbonit me pastërti të lartë dhe pluhuri i silicit me pastërti të lartë, dhe madhësi të ndryshme të shufrave të karbidit të silicit u rritën në një fushë të veçantë temperature, dhe më pas substrati i karbidit të silicit u prodhua përmes proceseve të shumëfishta të përpunimit. Procesi kryesor përfshin:
Sinteza e lëndës së parë: Pluhuri i silikonit me pastërti të lartë + toniku përzihen sipas formulës dhe reaksioni kryhet në dhomën e reaksionit në kushte të temperaturës së lartë mbi 2000°C për të sintetizuar grimcat e karbidit të silikonit me llojin specifik të kristalit dhe madhësinë e grimcave. Pastaj, nëpërmjet thërrmimit, sitjes, pastrimit dhe proceseve të tjera, përmbushen kërkesat e lëndëve të para të pluhurit të karbidit të silikonit me pastërti të lartë.
Rritja e kristaleve është procesi kryesor i prodhimit të substratit të karabit të silicit, i cili përcakton vetitë elektrike të substratit të karabit të silicit. Aktualisht, metodat kryesore për rritjen e kristaleve janë transferimi fizik i avullit (PVT), depozitimi kimik i avullit në temperaturë të lartë (HT-CVD) dhe epitaksia e fazës së lëngshme (LPE). Midis tyre, metoda PVT është metoda kryesore për rritjen komerciale të substratit SiC aktualisht, me pjekurinë më të lartë teknike dhe më të përdorurën gjerësisht në inxhinieri.
Përgatitja e substratit SiC është e vështirë, duke çuar në çmimin e tij të lartë.
Kontrolli i fushës së temperaturës është i vështirë: Rritja e shufrës së kristalit Si kërkon vetëm 1500℃, ndërsa shufra e kristalit SiC duhet të rritet në një temperaturë të lartë mbi 2000℃, dhe ka më shumë se 250 izomerë SiC, por struktura kryesore monokristale 4H-SiC për prodhimin e pajisjeve të energjisë, nëse nuk ka kontroll të saktë, do të marrë struktura të tjera kristalore. Përveç kësaj, gradienti i temperaturës në enë përcakton shkallën e transferimit të sublimimit të SiC dhe mënyrën e rregullimit dhe rritjes së atomeve të gazta në ndërfaqen e kristalit, gjë që ndikon në shkallën e rritjes së kristalit dhe cilësinë e kristalit, kështu që është e nevojshme të formohet një teknologji sistematike e kontrollit të fushës së temperaturës. Krahasuar me materialet Si, ndryshimi në prodhimin e SiC është gjithashtu në proceset e temperaturës së lartë, siç janë implantimi i joneve në temperaturë të lartë, oksidimi në temperaturë të lartë, aktivizimi në temperaturë të lartë dhe procesi i maskës së fortë që kërkohet nga këto procese me temperaturë të lartë.
Rritje e ngadaltë e kristalit: shkalla e rritjes së shufrës kristalore Si mund të arrijë 30 ~ 150 mm/orë, dhe prodhimi i shufrës kristalore silikoni 1-3 m zgjat vetëm rreth 1 ditë; shufra kristalore SiC me metodën PVT si shembull, shkalla e rritjes është rreth 0.2-0.4 mm/orë, 7 ditë për t'u rritur më pak se 3-6 cm, shkalla e rritjes është më pak se 1% e materialit të silikonit, kapaciteti i prodhimit është jashtëzakonisht i kufizuar.
Parametra të lartë të produktit dhe rendiment i ulët: parametrat kryesorë të substratit SiC përfshijnë dendësinë e mikrotubulave, dendësinë e zhvendosjeve, rezistencën, deformimin, vrazhdësinë e sipërfaqes, etj. Është një inxhinieri komplekse e sistemit për të rregulluar atomet në një dhomë të mbyllur me temperaturë të lartë dhe për të përfunduar rritjen e kristalit, duke kontrolluar indekset e parametrave.
Materiali ka fortësi të lartë, brishtësi të lartë, kohë të gjatë prerjeje dhe konsumim të lartë: Fortësia Mohs e SiC prej 9.25 është e dyta vetëm pas diamantit, gjë që çon në një rritje të ndjeshme të vështirësisë së prerjes, bluarjes dhe lustrimit, dhe duhen afërsisht 120 orë për të prerë 35-40 copë të një lingoti me trashësi 3 cm. Përveç kësaj, për shkak të brishtësisë së lartë të SiC, konsumimi i përpunimit të pllakave do të jetë më i madh, dhe raporti i daljes është vetëm rreth 60%.
Trendi i zhvillimit: Rritje e madhësisë + ulje e çmimit
Linja e prodhimit 6-inç të SiC në tregun global po piqet dhe kompanitë kryesore kanë hyrë në tregun 8-inç. Projektet e zhvillimit vendas janë kryesisht 6-inç. Aktualisht, megjithëse shumica e kompanive vendase ende bazohen në linja prodhimi 4-inç, industria po zgjerohet gradualisht në 6-inç, me pjekurinë e teknologjisë së pajisjeve mbështetëse 6-inç, teknologjia vendase e substratit SiC po përmirëson gradualisht gjithashtu ekonomitë e shkallës së linjave të prodhimit të mëdha që do të reflektohen, dhe hendeku kohor aktual i prodhimit masiv vendas 6-inç është ngushtuar në 7 vjet. Madhësia më e madhe e pllakës së pllakave mund të sjellë një rritje të numrit të çipave të vetëm, të përmirësojë shkallën e rendimentit dhe të zvogëlojë përqindjen e çipave të skajit, dhe kostoja e kërkimit dhe zhvillimit dhe humbja e rendimentit do të mbahen në rreth 7%, duke përmirësuar kështu shfrytëzimin e pllakës së pllakave.
Ende ka shumë vështirësi në projektimin e pajisjeve.
Komercializimi i diodës SiC është përmirësuar gradualisht, aktualisht, një numër prodhuesish vendas kanë projektuar produkte SiC SBD, produktet SiC SBD me tension të mesëm dhe të lartë kanë stabilitet të mirë, në OBC të automjeteve, përdorimi i SiC SBD + SI IGBT për të arritur dendësi të qëndrueshme të rrymës. Aktualisht, nuk ka pengesa në projektimin e patentave të produkteve SiC SBD në Kinë, dhe hendeku me vendet e huaja është i vogël.
SiC MOS ende ka shumë vështirësi, ende ekziston një hendek midis SiC MOS dhe prodhuesve të huaj, dhe platforma përkatëse e prodhimit është ende në ndërtim e sipër. Aktualisht, ST, Infineon, Rohm dhe SiC MOS të tjerë 600-1700V kanë arritur prodhim masiv dhe janë nënshkruar dhe dërguar me shumë industri prodhuese, ndërsa dizajni aktual vendas i SiC MOS është përfunduar në thelb, një numër prodhuesish dizajni po punojnë me fabrika në fazën e rrjedhës së pllakës së plastikës, dhe verifikimi i mëvonshëm i klientit ende kërkon pak kohë, kështu që ka ende shumë kohë nga komercializimi në shkallë të gjerë.
Aktualisht, struktura planare është zgjedhja kryesore, dhe lloji i kanalit përdoret gjerësisht në fushën e presionit të lartë në të ardhmen. Prodhuesit e strukturës planare SiC MOS janë të shumtë, struktura planare nuk është e lehtë të prodhojë probleme lokale të prishjes krahasuar me kanalin, duke ndikuar në stabilitetin e punës, në tregun nën 1200V ka një gamë të gjerë vlerash aplikimi, dhe struktura planare është relativisht e thjeshtë në aspektin e prodhimit, për të përmbushur dy aspekte të prodhimit dhe kontrollit të kostos. Pajisja e kanalit ka avantazhet e induktancës parazitare jashtëzakonisht të ulët, shpejtësisë së shpejtë të ndërrimit, humbjeve të ulëta dhe performancës relativisht të lartë.
2--Lajme për pllakat SiC
Prodhimi dhe rritja e shitjeve të tregut të karbidit të silikonit, kushtojini vëmendje çekuilibrit strukturor midis ofertës dhe kërkesës
Me rritjen e shpejtë të kërkesës së tregut për elektronikë fuqie me frekuencë të lartë dhe fuqi të lartë, pengesa fizike e pajisjeve gjysmëpërçuese me bazë silikoni është bërë gradualisht e dukshme, dhe materialet gjysmëpërçuese të gjeneratës së tretë të përfaqësuara nga karbidi i silikonit (SiC) janë industrializuar gradualisht. Nga pikëpamja e performancës së materialit, karbidi i silikonit ka 3 herë gjerësinë e boshllëkut të brezit të materialit të silikonit, 10 herë forcën kritike të fushës elektrike të zbërthimit, 3 herë përçueshmërinë termike, kështu që pajisjet e fuqisë me karbid silikoni janë të përshtatshme për frekuencë të lartë, presion të lartë, temperaturë të lartë dhe aplikime të tjera, duke ndihmuar në përmirësimin e efikasitetit dhe dendësisë së fuqisë së sistemeve elektronike të fuqisë.
Aktualisht, diodat SiC dhe MOSFET-et SiC janë futur gradualisht në treg dhe ka produkte më të zhvilluara, ndër të cilat diodat SiC përdoren gjerësisht në vend të diodave me bazë silikoni në disa fusha, sepse ato nuk kanë avantazhin e rikuperimit të kundërt të ngarkesës; MOSFET-i SiC përdoret gjithashtu gradualisht në automobila, ruajtjen e energjisë, grumbullin e karikimit, fotovoltaikën dhe fusha të tjera; Në fushën e aplikimeve të automobilave, tendenca e modularizimit po bëhet gjithnjë e më e spikatur, performanca superiore e SiC duhet të mbështetet në procese të përparuara paketimi për të arritur, teknikisht me vulosje relativisht të zhvilluar të guaskës si rrjedhë kryesore, në të ardhmen ose në zhvillimin e vulosjes plastike, karakteristikat e tij të zhvillimit të personalizuar janë më të përshtatshme për modulet SiC.
Shpejtësia e rënies së çmimit të karbidit të silikonit ose përtej imagjinatës
Zbatimi i pajisjeve të karabit të silikonit është kryesisht i kufizuar nga kostoja e lartë, çmimi i SiC MOSFET nën të njëjtin nivel është 4 herë më i lartë se ai i IGBT me bazë Si, kjo për shkak se procesi i karabit të silikonit është kompleks, në të cilin rritja e kristalit të vetëm dhe epitaksialit jo vetëm që është e ashpër për mjedisin, por edhe shkalla e rritjes është e ngadaltë, dhe përpunimi i kristalit të vetëm në substrat duhet të kalojë nëpër procesin e prerjes dhe lustrimit. Bazuar në karakteristikat e veta të materialit dhe teknologjinë e përpunimit të papjekur, rendimenti i substratit vendas është më pak se 50%, dhe faktorë të ndryshëm çojnë në çmime të larta të substratit dhe epitaksialit.
Megjithatë, përbërja e kostos së pajisjeve të karabit të silikonit dhe pajisjeve me bazë silikoni është diametralisht e kundërt, kostot e substratit dhe epitaksiale të kanalit të përparmë përbëjnë përkatësisht 47% dhe 23% të të gjithë pajisjes, duke arritur në total rreth 70%, projektimi i pajisjes, prodhimi dhe lidhjet e vulosjes së kanalit të pasmë përbëjnë vetëm 30%, kostoja e prodhimit të pajisjeve me bazë silikoni është përqendruar kryesisht në prodhimin e pllakave të kanalit të pasmë rreth 50%, dhe kostoja e substratit përbën vetëm 7%. Fenomeni i vlerës së zinxhirit të industrisë së karabit të silikonit përmbys do të thotë që prodhuesit e epitaksiale të substratit në rrjedhën e sipërme kanë të drejtën kryesore për të folur, e cila është çelësi i paraqitjes së ndërmarrjeve vendase dhe të huaja.
Nga pikëpamja dinamike e tregut, ulja e kostos së karabit të silicit, përveç përmirësimit të kristalit të gjatë të karabit të silicit dhe procesit të prerjes, është zgjerimi i madhësisë së pllakës së silicit, e cila është gjithashtu rruga e pjekur e zhvillimit të gjysmëpërçuesve në të kaluarën. Të dhënat e Wolfspeed tregojnë se substrati i karabit të silicit është përmirësuar nga 6 inç në 8 inç, prodhimi i çipave të kualifikuar mund të rritet me 80%-90% dhe të ndihmojë në përmirësimin e rendimentit. Mund të ulë koston e kombinuar për njësi me 50%.
Viti 2023 njihet si "viti i parë i SiC 8-inç", këtë vit, prodhuesit vendas dhe të huaj të karabit të silicit po përshpejtojnë ndërtimin e karabit të silicit 8-inç, siç është investimi i çmendur i Wolfspeed prej 14.55 miliardë dollarësh amerikanë për zgjerimin e prodhimit të karabit të silicit, një pjesë e rëndësishme e të cilit është ndërtimi i uzinës së prodhimit të substratit SiC 8-inç. Për të siguruar furnizimin e ardhshëm të metalit të zhveshur SiC 200 mm për një numër kompanish; Tianyue Advanced dhe Tianke Heda kanë nënshkruar gjithashtu marrëveshje afatgjata me Infineon për të furnizuar substrate karabit të silicit 8-inç në të ardhmen.
Duke filluar nga ky vit, karbidi i silikonit do të përshpejtohet nga 6 inç në 8 inç. Wolfspeed pret që deri në vitin 2024, kostoja e çipit për njësi të substratit 8 inç krahasuar me koston e çipit për njësi të substratit 6 inç në vitin 2022 do të ulet me më shumë se 60%, dhe rënia e kostos do ta hapë më tej tregun e aplikacioneve, theksuan të dhënat kërkimore të Ji Bond Consulting. Pjesa aktuale e tregut të produkteve 8 inç është më pak se 2% dhe pjesa e tregut pritet të rritet në rreth 15% deri në vitin 2026.
Në fakt, shkalla e rënies së çmimit të substratit të karabit të silikonit mund të tejkalojë imagjinatën e shumë njerëzve, oferta aktuale në treg e substratit 6-inç është 4000-5000 juanë/copë, krahasuar me fillimin e vitit ka rënë shumë, pritet të bjerë nën 4000 juanë vitin e ardhshëm, vlen të përmendet se disa prodhues, për të marrë tregun e parë, e kanë ulur çmimin e shitjes në vijën e kostos më poshtë. Hapja e modelit të luftës së çmimeve, e përqendruar kryesisht në furnizimin me substrat të karabit të silikonit ka qenë relativisht i mjaftueshëm në fushën e tensionit të ulët, prodhuesit vendas dhe të huaj po zgjerojnë në mënyrë agresive kapacitetin e prodhimit, ose e lënë fazën e mbifurnizimit me substrat të karabit të silikonit më herët se sa imagjinohej.
Koha e postimit: 19 janar 2024