Introducere în carbura de siliciu
Carbura de siliciu (SiC) este un material semiconductor compus compus din carbon și siliciu, care este unul dintre materialele ideale pentru fabricarea dispozitivelor cu temperatură înaltă, frecvență înaltă, putere mare și tensiune înaltă.În comparație cu materialul tradițional de siliciu (Si), distanța benzii de carbură de siliciu este de 3 ori mai mare decât cea a siliciului.Conductivitatea termică este de 4-5 ori mai mare decât cea a siliciului;Tensiunea de avarie este de 8-10 ori mai mare decât cea a siliciului;Rata de saturație electronică este de 2-3 ori mai mare decât cea a siliciului, ceea ce satisface nevoile industriei moderne de putere mare, tensiune înaltă și frecvență înaltă.Este utilizat în principal pentru producerea de componente electronice de mare viteză, de înaltă frecvență, de mare putere și care emit lumină.Domeniile de aplicare din aval includ rețea inteligentă, vehicule cu energie nouă, energie eoliană fotovoltaică, comunicații 5G etc. Au fost aplicate comercial diode cu carbură de siliciu și MOSFET.
Rezistență la temperaturi ridicate.Lățimea intervalului de bandă a carburii de siliciu este de 2-3 ori mai mare decât a siliciului, electronii nu sunt ușor de transferat la temperaturi ridicate și pot rezista la temperaturi de funcționare mai ridicate, iar conductivitatea termică a carburii de siliciu este de 4-5 ori mai mare decât cea a siliciului, ușurând disiparea căldurii dispozitivului, iar temperatura limită de funcționare mai mare.Rezistența la temperaturi ridicate poate crește semnificativ densitatea de putere, reducând în același timp cerințele privind sistemul de răcire, făcând terminalul mai ușor și mai mic.
Rezistă la presiune ridicată.Intensitatea câmpului electric de descompunere a carburii de siliciu este de 10 ori mai mare decât a siliciului, care poate rezista la tensiuni mai mari și este mai potrivită pentru dispozitivele de înaltă tensiune.
Rezistență de înaltă frecvență.Carbura de siliciu are o rată de deplasare a electronilor saturată de două ori mai mare decât cea a siliciului, ceea ce duce la absența cozii de curent în timpul procesului de oprire, ceea ce poate îmbunătăți în mod eficient frecvența de comutare a dispozitivului și poate realiza miniaturizarea dispozitivului.
Pierdere redusă de energie.În comparație cu materialul de siliciu, carbura de siliciu are o rezistență foarte scăzută și pierderi reduse.În același timp, lățimea mare a benzii interzise a carburii de siliciu reduce foarte mult curentul de scurgere și pierderea de putere.În plus, dispozitivul cu carbură de siliciu nu are un fenomen de urmărire curent în timpul procesului de oprire, iar pierderea de comutare este scăzută.
Lanț industrial din carbură de siliciu
Include în principal substrat, epitaxie, proiectare dispozitiv, fabricație, etanșare și așa mai departe.Carbura de siliciu de la material la dispozitivul de putere semiconductor va experimenta creșterea unui singur cristal, tăierea lingoului, creșterea epitaxială, proiectarea plachetelor, fabricarea, ambalarea și alte procese.După sinteza pulberii de carbură de siliciu, se face mai întâi lingoul de carbură de siliciu, iar apoi substratul de carbură de siliciu este obținut prin feliere, șlefuire și lustruire, iar foaia epitaxială este obținută prin creștere epitaxială.Placa epitaxială este realizată din carbură de siliciu prin litografie, gravare, implantare ionică, pasivare a metalelor și alte procese, napolitana este tăiată în matriță, dispozitivul este ambalat, iar dispozitivul este combinat într-o carcasă specială și asamblat într-un modul.
În amonte de lanțul industrial 1: substrat - creșterea cristalelor este veriga de bază a procesului
Substratul cu carbură de siliciu reprezintă aproximativ 47% din costul dispozitivelor cu carbură de siliciu, cele mai mari bariere tehnice de producție, cea mai mare valoare, este nucleul viitoarei industrializări la scară largă a SiC.
Din perspectiva diferențelor de proprietăți electrochimice, materialele de substrat cu carbură de siliciu pot fi împărțite în substraturi conductoare (regiune de rezistivitate 15~30mΩ·cm) și substraturi semi-izolate (rezistivitate mai mare de 105Ω·cm).Aceste două tipuri de substraturi sunt utilizate pentru a fabrica dispozitive discrete, cum ar fi dispozitive de alimentare și, respectiv, dispozitive de radiofrecvență, după creșterea epitaxială.Printre acestea, substratul de carbură de siliciu semi-izolat este utilizat în principal la fabricarea dispozitivelor RF cu nitrură de galiu, a dispozitivelor fotoelectrice și așa mai departe.Prin creșterea stratului epitaxial gan pe un substrat SIC semi-izolat, se prepară placa epitaxială sic, care poate fi pregătită în continuare în dispozitive RF cu izonitrură de gan HEMT.Substratul conductiv de carbură de siliciu este utilizat în principal la fabricarea dispozitivelor de putere.Spre deosebire de procesul tradițional de fabricare a dispozitivului de alimentare cu siliciu, dispozitivul de putere cu carbură de siliciu nu poate fi realizat direct pe substratul cu carbură de siliciu, stratul epitaxial cu carbură de siliciu trebuie să fie crescut pe substratul conductiv pentru a obține foaia epitaxială din carbură de siliciu, iar epitaxiul. stratul este fabricat pe dioda Schottky, MOSFET, IGBT și alte dispozitive de alimentare.
Pulberea de carbură de siliciu a fost sintetizată din pulbere de carbon de înaltă puritate și pulbere de siliciu de înaltă puritate, iar diferite dimensiuni de lingouri de carbură de siliciu au fost cultivate în câmp special de temperatură, iar apoi substratul de carbură de siliciu a fost produs prin procese multiple de procesare.Procesul de bază include:
Sinteza materiei prime: pulberea de siliciu de înaltă puritate + tonerul este amestecată conform formulei, iar reacția se desfășoară în camera de reacție în condiții de temperatură ridicată peste 2000 ° C pentru a sintetiza particulele de carbură de siliciu cu tipul și particulele specifice de cristal. mărimea.Apoi, prin zdrobire, cernere, curățare și alte procese, pentru a îndeplini cerințele materiilor prime de pulbere de carbură de siliciu de înaltă puritate.
Creșterea cristalelor este procesul de bază al fabricării substratului cu carbură de siliciu, care determină proprietățile electrice ale substratului cu carbură de siliciu.În prezent, principalele metode de creștere a cristalelor sunt transferul fizic de vapori (PVT), depunerea chimică în vapori la temperatură înaltă (HT-CVD) și epitaxia în fază lichidă (LPE).Dintre acestea, metoda PVT este metoda principală pentru creșterea comercială a substratului SiC în prezent, cu cea mai mare maturitate tehnică și cea mai utilizată în inginerie.
Pregătirea substratului de SiC este dificilă, ceea ce duce la prețul său ridicat
Controlul câmpului de temperatură este dificil: creșterea tijei de cristal Si are nevoie doar de 1500 ℃, în timp ce tija de cristal SiC trebuie să fie crescută la o temperatură ridicată peste 2000 ℃ și există mai mult de 250 de izomeri SiC, dar principala structură monocristal 4H-SiC pentru producția de dispozitive de putere, dacă nu un control precis, va obține alte structuri de cristal.În plus, gradientul de temperatură în creuzet determină viteza transferului de sublimare SiC și modul de aranjare și creștere a atomilor gazoși pe interfața cu cristalul, ceea ce afectează rata de creștere a cristalului și calitatea cristalului, deci este necesar să se formeze un câmp sistematic de temperatură. tehnologie de control.În comparație cu materialele Si, diferența în producția de SiC este, de asemenea, în procesele de temperatură înaltă, cum ar fi implantarea ionilor la temperatură ridicată, oxidarea la temperatură ridicată, activarea la temperatură ridicată și procesul de masca dură cerut de aceste procese la temperatură înaltă.
Creștere lentă a cristalelor: rata de creștere a tijei de cristal Si poate ajunge la 30 ~ 150 mm/h, iar producția de tije de cristal de siliciu de 1-3 m durează doar aproximativ 1 zi;Tija de cristal SiC cu metoda PVT de exemplu, rata de creștere este de aproximativ 0,2-0,4 mm/h, 7 zile pentru a crește mai puțin de 3-6 cm, rata de creștere este mai mică de 1% din materialul de siliciu, capacitatea de producție este extrem de limitat.
Parametri înalți ai produsului și randament scăzut: parametrii de bază ai substratului SiC includ densitatea microtubulilor, densitatea de dislocare, rezistivitatea, deformarea, rugozitatea suprafeței etc. Este un sistem complex de inginerie pentru a aranja atomii într-o cameră închisă la temperatură înaltă și creșterea completă a cristalului, în timp ce controlează indici de parametri.
Materialul are duritate mare, fragilitate ridicată, timp lung de tăiere și uzură mare: duritatea SiC Mohs de 9,25 este a doua după diamant, ceea ce duce la o creștere semnificativă a dificultății de tăiere, șlefuire și lustruire și durează aproximativ 120 de ore pentru taiati 35-40 de bucati dintr-un lingou gros de 3cm.În plus, datorită fragilității ridicate a SiC, uzura procesării plachetelor va fi mai mare, iar raportul de ieșire este de numai aproximativ 60%.
Tendință de dezvoltare: creșterea mărimii + scăderea prețului
Linia de producție în volum de 6 inchi pe piața globală de SiC se maturizează, iar companiile de top au intrat pe piața de 8 inchi.Proiectele de dezvoltare internă sunt în principal de 6 inci.În prezent, deși majoritatea companiilor autohtone se bazează încă pe linii de producție de 4 inchi, dar industria se extinde treptat la 6 inchi, odată cu maturitatea tehnologiei echipamentelor de sprijin de 6 inci, tehnologia internă a substratului SiC îmbunătățește, de asemenea, treptat economiile de scara liniilor de producție de dimensiuni mari va fi reflectată, iar diferența de timp de producție în masă actuală de 6 inci sa redus la 7 ani.Dimensiunea mai mare a plăcilor poate duce la o creștere a numărului de așchii unice, poate îmbunătăți rata de randament și poate reduce proporția de așchii de margine, iar costul cercetării și dezvoltării și pierderea de randament va fi menținut la aproximativ 7%, îmbunătățind astfel napolitana. utilizare.
Există încă multe dificultăți în proiectarea dispozitivului
Comercializarea diodei SiC este îmbunătățită treptat, în prezent, un număr de producători autohtoni au proiectat produse SiC SBD, produsele SiC SBD de tensiune medie și înaltă au o stabilitate bună, în vehiculul OBC, utilizarea SiC SBD + SI IGBT pentru a obține o stabilitate stabilă. densitatea curentă.În prezent, nu există bariere în proiectarea brevetului de produse SiC SBD în China, iar decalajul cu țările străine este mic.
SiC MOS are încă multe dificultăți, există încă un decalaj între SiC MOS și producătorii de peste mări, iar platforma de producție relevantă este încă în construcție.În prezent, ST, Infineon, Rohm și alte 600-1700V SiC MOS au realizat producție în masă și au semnat și livrat cu multe industrii de producție, în timp ce actualul design intern SiC MOS a fost practic finalizat, un număr de producători de design lucrează cu fabrici la etapa de curgere a plachetelor și verificarea ulterioară a clienților mai are nevoie de ceva timp, așa că mai este mult timp de la comercializarea pe scară largă.
În prezent, structura plană este alegerea principală, iar tipul de șanț este utilizat pe scară largă în domeniul de înaltă presiune în viitor.Structura plană Producătorii SiC MOS sunt mulți, structura plană nu este ușor de a produce probleme locale de defalcare în comparație cu canelura, afectând stabilitatea lucrării, pe piața sub 1200V are o gamă largă de valori de aplicare, iar structura plană este relativ simplu în sfârșitul producției, pentru a satisface fabricabilitatea și controlul costurilor două aspecte.Dispozitivul cu canale are avantajele unei inductanțe parazitare extrem de scăzute, viteze rapide de comutare, pierderi reduse și performanțe relativ ridicate.
2--Noutăți de napolitană SiC
Producția de piață de carbură de siliciu și creșterea vânzărilor, acordați atenție dezechilibrului structural dintre cerere și ofertă
Odată cu creșterea rapidă a cererii pieței pentru electronice de înaltă frecvență și putere mare, limita fizică a blocajului dispozitivelor semiconductoare pe bază de siliciu a devenit treptat proeminentă, iar materialele semiconductoare de a treia generație reprezentate de carbură de siliciu (SiC) au devenit treptat. deveni industrializat.Din punct de vedere al performanței materialelor, carbura de siliciu are de 3 ori mai mare decât lățimea de bandă a materialului de siliciu, de 10 ori puterea câmpului electric de defalcare critică, de 3 ori conductivitatea termică, astfel încât dispozitivele de putere cu carbură de siliciu sunt potrivite pentru înaltă frecvență, presiune înaltă, temperaturi ridicate și alte aplicații, ajută la îmbunătățirea eficienței și a densității de putere a sistemelor electronice de putere.
În prezent, diodele SiC și MOSFET-urile SiC s-au mutat treptat pe piață și există produse mai mature, printre care diodele SiC sunt utilizate pe scară largă în locul diodelor pe bază de siliciu în unele domenii deoarece nu au avantajul taxei de recuperare inversă;MOSFET-ul SiC este, de asemenea, utilizat treptat în domeniul auto, stocarea energiei, pila de încărcare, fotovoltaic și alte domenii;În domeniul aplicațiilor auto, tendința de modularizare devine din ce în ce mai proeminentă, performanța superioară a SiC trebuie să se bazeze pe procese avansate de ambalare pentru a realiza, din punct de vedere tehnic, cu etanșarea carcasei relativ matură ca curent principal, viitor sau dezvoltare de etanșare din plastic. , caracteristicile sale de dezvoltare personalizate sunt mai potrivite pentru modulele SiC.
Viteza de scădere a prețului din carbură de siliciu sau dincolo de imaginație
Aplicarea dispozitivelor cu carbură de siliciu este limitată în principal de costul ridicat, prețul MOSFET SiC sub același nivel este de 4 ori mai mare decât cel al IGBT pe bază de Si, acest lucru se datorează faptului că procesul de carbură de siliciu este complex, în care creșterea monocristalul și epitaxialul nu este doar dur asupra mediului, dar și rata de creștere este lentă, iar procesarea monocristalului în substrat trebuie să treacă prin procesul de tăiere și lustruire.Pe baza propriilor caracteristici ale materialelor și a tehnologiei de procesare imature, randamentul substratului autohton este mai mic de 50%, iar diverși factori duc la prețuri ridicate pentru substrat și epitaxiale.
Cu toate acestea, compoziția costurilor dispozitivelor cu carbură de siliciu și dispozitivelor pe bază de siliciu este diametral opusă, costurile de substrat și epitaxiale ale canalului frontal reprezintă 47%, respectiv 23% din întregul dispozitiv, însumând aproximativ 70%, proiectarea dispozitivului, producția. iar legăturile de etanșare ale canalului din spate reprezintă doar 30%, costul de producție al dispozitivelor pe bază de siliciu este concentrat în principal în producția de plachete a canalului din spate aproximativ 50%, iar costul substratului reprezintă doar 7%.Fenomenul valorii lanțului industriei cu carbură de siliciu cu susul în jos înseamnă că producătorii de epitaxie de substrat din amonte au dreptul de bază de a vorbi, care este cheia pentru aspectul întreprinderilor interne și străine.
Din punct de vedere dinamic pe piață, reducerea costului carburii de siliciu, pe lângă îmbunătățirea procesului de tăiere și a cristalelor lungi de carbură de siliciu, este de a extinde dimensiunea plachetei, care este, de asemenea, calea matură a dezvoltării semiconductoarelor în trecut, Datele Wolfspeed arată că actualizarea substratului cu carbură de siliciu de la 6 inci la 8 inci, producția de cip calificată poate crește cu 80%-90% și poate ajuta la îmbunătățirea randamentului.Poate reduce costul unitar combinat cu 50%.
2023 este cunoscut drept „primul an SiC de 8 inchi”, în acest an, producătorii interni și străini de carbură de siliciu accelerează aspectul de carbură de siliciu de 8 inchi, cum ar fi investiția nebună Wolfspeed de 14,55 miliarde de dolari SUA pentru extinderea producției de carbură de siliciu, o parte importantă din care este construcția unei fabrici de fabricare a substratului SiC de 8 inchi, pentru a asigura viitoarea furnizare de metal goale SiC de 200 mm pentru un număr de companii;Domestic Tianyue Advanced și Tianke Heda au semnat, de asemenea, acorduri pe termen lung cu Infineon pentru a furniza substraturi de carbură de siliciu de 8 inchi în viitor.
Începând din acest an, carbura de siliciu va accelera de la 6 inchi la 8 inci, Wolfspeed se așteaptă ca până în 2024, costul unitar al cipului al substratului de 8 inchi în comparație cu costul unitar al cipului al substratului de 6 inchi în 2022 să fie redus cu mai mult de 60% , iar scăderea costurilor va deschide și mai mult piața aplicațiilor, a subliniat datele de cercetare Ji Bond Consulting.Cota de piață actuală a produselor de 8 inchi este mai mică de 2%, iar cota de piață este de așteptat să crească la aproximativ 15% până în 2026.
De fapt, rata de scădere a prețului substratului cu carbură de siliciu poate depăși imaginația multor oameni, oferta actuală de piață a substratului de 6 inci este de 4000-5000 de yuani/buc, comparativ cu începutul anului a scăzut mult, este de așteptat să scadă sub 4000 de yuani anul viitor, este de remarcat faptul că unii producători, în scopul de a obține prima piață, a redus prețul de vânzare la linia de cost de mai jos, a deschis modelul de război al prețurilor, concentrat în principal în substratul de carbură de siliciu aprovizionarea a fost relativ suficientă în domeniul de joasă tensiune, producătorii autohtoni și străini își extind agresiv capacitatea de producție sau lasă etapa de supraalimentare a substratului de carbură de siliciu mai devreme decât se imagina.
Ora postării: 19-ian-2024