Įvadas į silicio karbidą
Silicio karbidas (SiC) yra sudėtinė puslaidininkinė medžiaga, sudaryta iš anglies ir silicio, kuri yra viena iš idealių medžiagų aukštos temperatūros, aukšto dažnio, didelės galios ir aukštos įtampos prietaisams gaminti. Palyginti su tradicine silicio medžiaga (Si), silicio karbido juostos tarpas yra 3 kartus didesnis nei silicio. Šilumos laidumas yra 4-5 kartus didesnis nei silicio; Skaldymo įtampa yra 8-10 kartų didesnė nei silicio; Elektroninio prisotinimo dreifo greitis yra 2–3 kartus didesnis nei silicio, o tai atitinka šiuolaikinės pramonės poreikius dėl didelės galios, aukštos įtampos ir aukšto dažnio. Jis daugiausia naudojamas didelės spartos, aukšto dažnio, didelės galios ir šviesą skleidžiantiems elektroniniams komponentams gaminti. Tolesnės taikymo sritys apima išmanųjį tinklą, naujas energiją naudojančias transporto priemones, fotovoltinę vėjo energiją, 5G ryšį ir kt. Silicio karbido diodai ir MOSFET buvo pritaikyti komerciškai.
Atsparumas aukštai temperatūrai. Silicio karbido juostos plotis yra 2–3 kartus didesnis nei silicio, elektronai nelengva pereiti esant aukštai temperatūrai ir gali atlaikyti aukštesnę darbinę temperatūrą, o silicio karbido šilumos laidumas yra 4–5 kartus didesnis nei silicio, todėl prietaisas lengviau išsklaido šilumą, o ribinė darbinė temperatūra yra aukštesnė. Atsparumas aukštai temperatūrai gali žymiai padidinti galios tankį ir sumažinti aušinimo sistemos reikalavimus, todėl terminalas yra lengvesnis ir mažesnis.
Atlaikyti aukštą slėgį. Silicio karbido elektrinio lauko stipris yra 10 kartų didesnis nei silicio, kuris gali atlaikyti didesnę įtampą ir labiau tinka aukštos įtampos įrenginiams.
Aukšto dažnio atsparumas. Silicio karbido sočiųjų elektronų dreifo greitis yra du kartus didesnis nei silicio, todėl išjungimo proceso metu nėra srovės uodegos, o tai gali veiksmingai pagerinti įrenginio perjungimo dažnį ir sumažinti įrenginio dydį.
Maži energijos nuostoliai. Palyginti su silicio medžiaga, silicio karbidas turi labai mažą atsparumą ir mažus nuostolius. Tuo pačiu metu didelis silicio karbido juostos plotis labai sumažina nuotėkio srovę ir galios nuostolius. Be to, silicio karbido įtaisas išjungimo proceso metu neturi srovės trūkimo reiškinio, o perjungimo nuostoliai yra maži.
Silicio karbido pramonės grandinė
Tai daugiausia apima substratą, epitaksiją, įrenginio dizainą, gamybą, sandarinimą ir pan. Silicio karbidas nuo medžiagos iki puslaidininkio galios įrenginio patirs vieno kristalo augimą, luitų pjaustymą, epitaksinį augimą, plokštelių projektavimą, gamybą, pakavimą ir kitus procesus. Po silicio karbido miltelių sintezės pirmiausia gaminamas silicio karbido luitas, o po to silicio karbido substratas gaunamas pjaustant, šlifuojant ir poliruojant, o epitaksinis lakštas gaunamas epitaksiniu augimu. Epitaksinė plokštelė pagaminta iš silicio karbido litografijos, ėsdinimo, jonų implantacijos, metalo pasyvavimo ir kitais procesais, plokštelė supjaustoma į štampą, prietaisas supakuojamas, o įrenginys sujungiamas į specialų apvalkalą ir surenkamas į modulį.
Prieš srovę nuo pramonės grandinės 1: substratas – kristalų augimas yra pagrindinė proceso grandis
Silicio karbido substratas sudaro apie 47% silicio karbido prietaisų kainos, didžiausios gamybos techninės kliūtys, didžiausia vertė yra būsimos didelio masto SiC industrializacijos pagrindas.
Atsižvelgiant į elektrocheminių savybių skirtumus, silicio karbido pagrindo medžiagas galima suskirstyti į laidžius substratus (varžinės vertės sritis 15–30 mΩ·cm) ir pusiau izoliuotus substratus (varžinė varža didesnė nei 105Ω·cm). Šie dviejų tipų substratai naudojami atskiriems įrenginiams, pvz., maitinimo įrenginiams ir radijo dažnio įrenginiams, gaminti po epitaksinio augimo. Tarp jų pusiau izoliuotas silicio karbido substratas daugiausia naudojamas gaminant galio nitrido RF įrenginius, fotoelektrinius prietaisus ir pan. Auginant gan epitaksinį sluoksnį ant pusiau izoliuoto SIC substrato, paruošiama sic epitaksinė plokštelė, kurią galima toliau paruošti į HEMT gan izo-nitrido RF įrenginius. Laidus silicio karbido substratas daugiausia naudojamas elektros prietaisų gamyboje. Skirtingai nuo tradicinio silicio galios įrenginio gamybos proceso, silicio karbido maitinimo įtaisas negali būti tiesiogiai pagamintas ant silicio karbido pagrindo, silicio karbido epitaksinis sluoksnis turi būti auginamas ant laidžiojo pagrindo, kad būtų gautas silicio karbido epitaksinis lakštas, o epitaksinis sluoksnis. sluoksnis gaminamas ant Schottky diodo, MOSFET, IGBT ir kitų maitinimo įrenginių.
Silicio karbido milteliai buvo susintetinti iš didelio grynumo anglies miltelių ir didelio grynumo silicio miltelių, o skirtingų dydžių silicio karbido luitai buvo auginami specialioje temperatūros lauke, o tada silicio karbido substratas buvo pagamintas atliekant kelis apdorojimo procesus. Pagrindinis procesas apima:
Žaliavų sintezė: didelio grynumo silicio milteliai + tonikas sumaišomi pagal formulę, o reakcija vyksta reakcijos kameroje esant aukštai temperatūrai, aukštesnei nei 2000 ° C, kad susintetintų silicio karbido daleles su specifiniu kristalų tipu ir dalelėmis. dydis. Tada per smulkinimo, sijojimo, valymo ir kitus procesus, kad atitiktų didelio grynumo silicio karbido miltelių žaliavų reikalavimus.
Kristalų augimas yra pagrindinis silicio karbido substrato gamybos procesas, kuris lemia silicio karbido substrato elektrines savybes. Šiuo metu pagrindiniai kristalų augimo metodai yra fizinis garų perdavimas (PVT), cheminis nusodinimas iš garų aukštoje temperatūroje (HT-CVD) ir skystosios fazės epitaksija (LPE). Tarp jų PVT metodas šiuo metu yra pagrindinis komercinio SiC substrato auginimo metodas, turintis aukščiausią techninę brandą ir plačiausiai naudojamas inžinerijoje.
SiC substrato paruošimas yra sudėtingas, todėl jo kaina yra didelė
Temperatūros lauko kontrolė yra sudėtinga: Si kristalų strypų augimui reikia tik 1500 ℃, o SiC kristalų strypą reikia auginti aukštoje, aukštesnėje nei 2000 ℃ temperatūroje, ir yra daugiau nei 250 SiC izomerų, tačiau pagrindinė 4H-SiC monokristalinė struktūra galios prietaisų gamyba, jei ne tiksli valdymas, gaus kitas kristalines struktūras. Be to, temperatūros gradientas tiglyje lemia SiC sublimacijos perdavimo greitį ir dujinių atomų išsidėstymą bei augimo režimą kristalų sąsajoje, o tai turi įtakos kristalų augimo greičiui ir kristalų kokybei, todėl būtina suformuoti sistemingą temperatūros lauką. valdymo technologija. Palyginti su Si medžiagomis, SiC gamybos skirtumas taip pat yra aukštos temperatūros procesuose, tokiuose kaip aukštos temperatūros jonų implantacija, aukštos temperatūros oksidacija, aktyvinimas aukštoje temperatūroje ir kietos kaukės procesas, reikalingas šiems aukštos temperatūros procesams.
Lėtas kristalų augimas: Si kristalo strypo augimo greitis gali siekti 30–150 mm/h, o 1–3 m silicio kristalo strypo gamyba užtrunka tik apie 1 dieną; SiC kristalinis strypas su PVT metodu, kaip pavyzdys, augimo greitis yra apie 0,2–0,4 mm/h, per 7 dienas auga mažiau nei 3–6 cm, augimo greitis yra mažesnis nei 1% silicio medžiagos, gamybos pajėgumai yra labai dideli. ribotas.
Aukšti produkto parametrai ir maža išeiga: pagrindiniai SiC substrato parametrai yra mikrovamzdelių tankis, dislokacijos tankis, savitoji varža, deformacija, paviršiaus šiurkštumas ir kt. Tai sudėtinga sistemos inžinerija, skirta atomams išdėstyti uždaroje aukštos temperatūros kameroje ir užbaigti kristalų augimą. valdant parametrų indeksus.
Medžiaga turi didelį kietumą, didelį trapumą, ilgą pjovimo laiką ir didelį susidėvėjimą: 9,25 SiC Mohso kietumas yra antras po deimantų, todėl žymiai padidėja pjovimo, šlifavimo ir poliravimo sunkumai, o tai trunka maždaug 120 valandų. išpjaukite 35-40 gabalėlių 3 cm storio luito. Be to, dėl didelio SiC trapumo plokštelių apdorojimas susidėvės daugiau, o išėjimo santykis yra tik apie 60%.
Plėtros tendencija: Dydžių didėjimas + kainos mažėjimas
Pasaulinės SiC rinkos 6 colių tūrio gamybos linija bręsta, o pirmaujančios įmonės įžengė į 8 colių rinką. Vidaus plėtros projektai daugiausia yra 6 colių. Šiuo metu, nors dauguma vietinių įmonių vis dar remiasi 4 colių gamybos linijomis, tačiau pramonė palaipsniui plečiasi iki 6 colių, subrendus 6 colių pagalbinės įrangos technologijai, vietinė SiC substrato technologija taip pat palaipsniui gerina ekonomiką. atsispindės didelių gamybos linijų mastas, o dabartinis vidaus 6 colių masinės gamybos laiko skirtumas sumažėjo iki 7 metų. Didesnis plokštelės dydis gali padidinti pavienių lustų skaičių, pagerinti išeigą ir sumažinti kraštinių lustų dalį, o mokslinių tyrimų ir plėtros sąnaudos bei išeigos sumažėjimas išliks maždaug 7%, taip pagerinant plokštelių kokybę. panaudojimas.
Įrenginio projektavimo srityje vis dar yra daug sunkumų
SiC diodo komercializavimas palaipsniui tobulinamas, šiuo metu daugelis vietinių gamintojų sukūrė SiC SBD gaminius, vidutinės ir aukštos įtampos SiC SBD gaminiai turi gerą stabilumą, transporto priemonės OBC, SiC SBD + SI IGBT naudojimas stabilumui pasiekti. srovės tankis. Šiuo metu Kinijoje nėra jokių kliūčių patentuoti SiC SBD gaminius, o atotrūkis nuo užsienio šalių yra nedidelis.
SiC MOS vis dar turi daug sunkumų, vis dar yra atotrūkis tarp SiC MOS ir užsienio gamintojų, o atitinkama gamybos platforma vis dar kuriama. Šiuo metu ST, Infineon, Rohm ir kitos 600–1700 V SiC MOS pagamintos masiškai, pasirašytos ir išsiųstos daugeliui gamybos pramonės šakų, o dabartinis vietinis SiC MOS dizainas iš esmės baigtas, daugelis dizaino gamintojų dirba su gaminiais plokštelių srauto stadijoje, o vėliau klientų patikrinimui dar reikia šiek tiek laiko, todėl iki didelio masto komercializavimo dar daug laiko.
Šiuo metu plokštuminė konstrukcija yra pagrindinis pasirinkimas, o tranšėjos tipas ateityje bus plačiai naudojamas aukšto slėgio lauke. Plokštumos struktūros SiC MOS gamintojų yra daug, plokštuminės konstrukcijos nėra lengva sukelti vietines gedimo problemas, palyginti su grioveliu, turinčiu įtakos darbo stabilumui, rinkoje žemesnė nei 1200 V srovė turi platų taikymo vertę, o plokštuminė struktūra yra santykinai. paprastas gamybos pabaigoje, kad atitiktų gamybos ir sąnaudų kontrolės du aspektus. Griovelio įtaisas turi ypač mažą parazitinį induktyvumą, greitą perjungimo greitį, mažus nuostolius ir palyginti didelį našumą.
2--SiC plokštelių naujienos
Silicio karbido rinkos gamybos ir pardavimų augimas, atkreipkite dėmesį į struktūrinį pasiūlos ir paklausos disbalansą
Sparčiai augant aukšto dažnio ir didelės galios galios elektronikos paklausai, pamažu išryškėjo silicio pagrindu pagamintų puslaidininkinių įtaisų fizinės ribos kliūtis, o trečiosios kartos puslaidininkinės medžiagos, atstovaujamos silicio karbido (SiC), palaipsniui išaugo. tapti industrializuotais. Medžiagos veikimo požiūriu silicio karbido juostos plotis yra 3 kartus didesnis nei silicio medžiagos, 10 kartų didesnis už kritinį elektrinio lauko stiprumą, 3 kartus didesnis šilumos laidumas, todėl silicio karbido galios įrenginiai yra tinkami aukšto dažnio, aukšto slėgio, aukšta temperatūra ir kiti pritaikymai, padeda pagerinti galios elektroninių sistemų efektyvumą ir galios tankį.
Šiuo metu SiC diodai ir SiC MOSFET pamažu iškeliavo į rinką, yra ir brandesnių gaminių, tarp kurių kai kuriose srityse vietoj silicio diodų plačiai naudojami SiC diodai, nes jie neturi atvirkštinio atkūrimo įkrovimo pranašumo; SiC MOSFET taip pat palaipsniui naudojamas automobilių, energijos kaupimo, įkrovimo krūvos, fotovoltinės ir kitose srityse; Automobilių pritaikymo srityje moduliavimo tendencija tampa vis ryškesnė, o geresnis SiC veikimas turi priklausyti nuo pažangių pakavimo procesų, techniškai su santykinai brandžiu apvalkalo sandarinimu kaip pagrindinė, ateities arba plastikinio sandarinimo plėtra. , jo pritaikytos kūrimo charakteristikos labiau tinka SiC moduliams.
Silicio karbido kainos mažėjimo greitis arba net neįsivaizduojamas
Silicio karbido prietaisų taikymą daugiausia riboja didelės sąnaudos, SiC MOSFET kaina žemiau to paties lygio yra 4 kartus didesnė nei Si pagrindu pagaminto IGBT, taip yra todėl, kad silicio karbido gamybos procesas yra sudėtingas, todėl monokristalinis ir epitaksinis yra ne tik atšiaurus aplinkai, bet ir lėtas augimo greitis, o monokristalinis apdorojimas į substratą turi būti pjaustomas ir poliruojamas. Remiantis savo medžiagų savybėmis ir nesubrendusiomis perdirbimo technologijomis, vietinio substrato išeiga yra mažesnė nei 50%, o įvairūs veiksniai lemia aukštas substrato ir epitaksines kainas.
Tačiau silicio karbido prietaisų ir silicio pagrindu pagamintų prietaisų sąnaudų sudėtis yra diametraliai priešinga, priekinio kanalo substrato ir epitaksinės sąnaudos sudaro atitinkamai 47% ir 23% viso įrenginio, iš viso apie 70%, prietaiso projektavimas, gamyba. ir galinio kanalo sandarinimo jungtys sudaro tik 30%, silicio pagrindu pagamintų prietaisų gamybos sąnaudos daugiausia sutelktos galinio kanalo plokštelių gamyboje apie 50%, o substrato kaina. sudaro tik 7 proc. Silicio karbido pramonės grandinės vertės reiškinys apverstas aukštyn kojomis reiškia, kad substrato epitaksijos gamintojai turi pagrindinę teisę kalbėti, o tai yra raktas į vidaus ir užsienio įmonių išdėstymą.
Dinaminiu požiūriu rinkoje, silicio karbido sąnaudų sumažinimas, be silicio karbido ilgo kristalo ir pjaustymo proceso tobulinimo, yra išplėsti plokštelės dydį, o tai taip pat yra brandus puslaidininkių kūrimo kelias praeityje, „Wolfspeed“ duomenys rodo, kad silicio karbido substratas padidinamas nuo 6 colių iki 8 colių, kvalifikuotų lustų gamyba gali padidėti 80–90% ir padėti pagerinti. derlius. Gali sumažinti bendrą vieneto kainą 50%.
2023 m. yra žinomi kaip „pirmieji 8 colių SiC metai“, šiais metais vietiniai ir užsienio silicio karbido gamintojai spartina 8 colių silicio karbido išdėstymą, pavyzdžiui, „Wolfspeed“ beprotiška 14,55 milijardo JAV dolerių investicija į silicio karbido gamybos plėtrą, kurios svarbi dalis yra 8 colių SiC substrato gamybos gamyklos statyba, Siekiant užtikrinti būsimą tiekimą 200 mm SiC pliko metalo daugeliui įmonių; Vietinės įmonės „Tianyue Advanced“ ir „Tianke Heda“ taip pat pasirašė ilgalaikes sutartis su „Infineon“ dėl 8 colių silicio karbido substratų tiekimo ateityje.
Nuo šių metų silicio karbidas įsibėgės nuo 6 colių iki 8 colių, „Wolfspeed“ tikisi, kad iki 2024 m. 8 colių substrato vieneto lusto kaina, palyginti su 6 colių substrato vieneto lusto kaina 2022 m., bus sumažinta daugiau nei 60 proc. , o išlaidų sumažėjimas dar labiau atvers programų rinką, nurodė Ji Bond Consulting tyrimo duomenys. Dabartinė 8 colių gaminių rinkos dalis yra mažesnė nei 2%, o iki 2026 m. rinkos dalis turėtų išaugti iki maždaug 15%.
Tiesą sakant, silicio karbido substrato kainos mažėjimo greitis gali viršyti daugelio žmonių vaizduotę, dabartinė 6 colių substrato pasiūla rinkoje yra 4000–5000 juanių/vnt., palyginti su metų pradžia, labai sumažėjo, yra tikimasi, kad kitais metais nukris žemiau 4000 juanių, verta paminėti, kad kai kurie gamintojai, norėdami patekti į pirmąją rinką, sumažino pardavimo kainą iki savikainos eilutės Žemiau atidarytas kainų karo modelis, daugiausia sutelktas į silicio karbido substrato tiekimą žemos įtampos srityje, vietiniai ir užsienio gamintojai agresyviai plečia gamybos pajėgumus arba leidžia silicio karbido substrato pertekliui atsirasti anksčiau nei įsivaizduota. .
Paskelbimo laikas: 2024-01-19