مقدمه ای بر کاربید سیلیکون
کاربید سیلیکون (SiC) یک ماده نیمه هادی مرکب از کربن و سیلیکون است که یکی از مواد ایده آل برای ساخت دستگاه های با دمای بالا، فرکانس بالا، توان بالا و ولتاژ بالا است.در مقایسه با مواد سیلیکونی سنتی (Si)، فاصله نواری کاربید سیلیکون 3 برابر سیلیکون است.هدایت حرارتی 4-5 برابر سیلیکون است.ولتاژ شکست 8-10 برابر سیلیکون است.نرخ رانش اشباع الکترونیکی 2-3 برابر سیلیکون است که نیازهای صنعت مدرن برای توان بالا، ولتاژ بالا و فرکانس بالا را برآورده می کند.این عمدتا برای تولید قطعات الکترونیکی با سرعت بالا، فرکانس بالا، پرقدرت و نور ساطع کننده استفاده می شود.زمینه های کاربردی پایین دستی شامل شبکه هوشمند، وسایل نقلیه انرژی جدید، نیروی باد فتوولتائیک، ارتباطات 5G و غیره است. دیودهای کاربید سیلیکون و ماسفت ها به صورت تجاری استفاده شده اند.
مقاومت در برابر دمای بالا.عرض شکاف نواری کاربید سیلیکون 2-3 برابر سیلیکون است، الکترون ها در دماهای بالا به راحتی منتقل نمی شوند و می توانند دمای عملیاتی بالاتری را تحمل کنند، و هدایت حرارتی کاربید سیلیکون 4-5 برابر سیلیکون است. اتلاف گرمای دستگاه را آسان‌تر می‌کند و دمای کاری حدی را بالاتر می‌برد.مقاومت در برابر دمای بالا می تواند به طور قابل توجهی چگالی توان را افزایش دهد در حالی که نیازهای سیستم خنک کننده را کاهش می دهد و ترمینال را سبک تر و کوچکتر می کند.
تحمل فشار بالا.قدرت میدان الکتریکی شکست کاربید سیلیکون 10 برابر سیلیکون است که می تواند ولتاژهای بالاتر را تحمل کند و برای دستگاه های ولتاژ بالا مناسب تر است.
مقاومت فرکانس بالاکاربید سیلیکون دارای نرخ رانش الکترونی اشباع شده دو برابر سیلیکون است که منجر به عدم وجود جریان باطله در طول فرآیند خاموشی می شود که می تواند به طور موثر فرکانس سوئیچینگ دستگاه را بهبود بخشد و کوچک شدن دستگاه را درک کند.
اتلاف انرژی کم.در مقایسه با مواد سیلیکون، کاربید سیلیکون دارای مقاومت بسیار کم در برابر و از دست دادن کم است.در عین حال، پهنای باند شکاف بالای کاربید سیلیکون تا حد زیادی جریان نشتی و اتلاف توان را کاهش می دهد.علاوه بر این، دستگاه کاربید سیلیکون در طول فرآیند خاموش شدن، پدیده ردیابی جریان را ندارد و تلفات سوئیچینگ کم است.
زنجیره صنعت کاربید سیلیکون
این عمدتا شامل بستر، اپیتاکسی، طراحی دستگاه، ساخت، آب بندی و غیره است.کاربید سیلیکون از مواد به دستگاه قدرت نیمه هادی رشد تک کریستال، برش شمش، رشد اپیتاکسیال، طراحی ویفر، ساخت، بسته بندی و سایر فرآیندها را تجربه خواهد کرد.پس از سنتز پودر کاربید سیلیکون، ابتدا شمش کاربید سیلیکون ساخته می شود و سپس با برش، آسیاب و پولیش بستر کاربید سیلیکون به دست می آید و با رشد اپیتاکسی ورق اپیتاکسیال به دست می آید.ویفر اپیتاکسیال از کاربید سیلیکون از طریق لیتوگرافی، اچینگ، کاشت یون، غیرفعال سازی فلز و سایر فرآیندها ساخته می شود، ویفر به شکل قالب برش داده می شود، دستگاه بسته بندی می شود و دستگاه در یک پوسته خاص ترکیب می شود و به یک ماژول مونتاژ می شود.
بالادست زنجیره صنعت 1: بستر - رشد کریستال پیوند اصلی فرآیند است
بستر کاربید سیلیکون حدود 47٪ از هزینه دستگاه های کاربید سیلیکون را تشکیل می دهد، بالاترین موانع فنی تولید، بزرگترین ارزش، هسته اصلی صنعتی شدن در مقیاس بزرگ SiC در آینده است.
از منظر تفاوت خواص الکتروشیمیایی، مواد بستر کاربید سیلیکون را می توان به زیرلایه های رسانا (منطقه مقاومت 15 ~ 30 mΩ·cm) و زیرلایه های نیمه عایق (مقاومت بالاتر از 105Ω·cm) تقسیم کرد.این دو نوع بستر به ترتیب پس از رشد اپیتاکسیال برای ساخت دستگاه‌های مجزا مانند دستگاه‌های قدرت و دستگاه‌های فرکانس رادیویی استفاده می‌شوند.در میان آنها، بستر کاربید سیلیکون نیمه عایق عمدتاً در ساخت دستگاه های RF نیترید گالیوم، دستگاه های فوتوالکتریک و غیره استفاده می شود.با رشد لایه epitaxial gan بر روی بستر SIC نیمه عایق، صفحه epitaxial sic تهیه می شود که می تواند بیشتر در دستگاه های RF ایزو نیترید HEMT gan آماده شود.بستر کاربید سیلیکون رسانا عمدتاً در ساخت دستگاه های قدرت استفاده می شود.متفاوت از فرآیند تولید سنتی دستگاه قدرت سیلیکون، دستگاه قدرت کاربید سیلیکون را نمی توان به طور مستقیم بر روی بستر کاربید سیلیکون ساخت، لایه همپایی کاربید سیلیکون باید روی بستر رسانا رشد داده شود تا ورق همپایی کاربید سیلیکون به دست آید و اپیتاکسیال لایه بر روی دیود شاتکی، ماسفت، IGBT و سایر دستگاه های قدرت تولید می شود.
پودر کاربید سیلیکون از پودر کربن با خلوص بالا و پودر سیلیکون با خلوص بالا سنتز شد و اندازه‌های مختلف شمش کاربید سیلیکون تحت شرایط دمایی ویژه رشد کرد و سپس بستر کاربید سیلیکون از طریق فرآیندهای پردازش متعدد تولید شد.فرآیند اصلی شامل:
سنتز مواد اولیه: پودر سیلیکون + تونر با خلوص بالا مطابق فرمول مخلوط می شود و واکنش در اتاق واکنش در شرایط دمای بالا بالای 2000 درجه سانتیگراد انجام می شود تا ذرات کاربید سیلیکون با نوع کریستالی و ذرات خاص سنتز شوند. اندازه.سپس از طریق خرد کردن، غربالگری، تمیز کردن و سایر فرآیندها، برای برآورده کردن الزامات مواد خام پودر کاربید سیلیکون با خلوص بالا.
رشد کریستال فرآیند اصلی تولید بستر کاربید سیلیکون است که خواص الکتریکی بستر کاربید سیلیکون را تعیین می کند.در حال حاضر، روش های اصلی برای رشد کریستال عبارتند از انتقال فیزیکی بخار (PVT)، رسوب شیمیایی بخار در دمای بالا (HT-CVD) و اپیتاکسی فاز مایع (LPE).در این میان روش PVT روش اصلی رشد تجاری بستر SiC در حال حاضر با بالاترین بلوغ فنی و بیشترین استفاده در مهندسی است.
تهیه بستر SiC دشوار است و منجر به قیمت بالای آن می شود
کنترل میدان دما دشوار است: رشد میله کریستال Si فقط به 1500 درجه سانتیگراد نیاز دارد، در حالی که میله کریستال SiC باید در دمای بالای 2000 درجه سانتیگراد رشد کند و بیش از 250 ایزومر SiC وجود دارد، اما ساختار اصلی تک کریستالی 4H-SiC برای تولید دستگاه های قدرت، اگر کنترل دقیق نباشد، ساختارهای کریستالی دیگری را به دست خواهد آورد.علاوه بر این، گرادیان دما در بوته، سرعت انتقال تصعید SiC و آرایش و حالت رشد اتم‌های گازی روی سطح مشترک کریستال را تعیین می‌کند که بر سرعت رشد کریستال و کیفیت کریستال تأثیر می‌گذارد، بنابراین لازم است یک میدان دمایی سیستماتیک تشکیل شود. تکنولوژی کنترلدر مقایسه با مواد Si، تفاوت در تولید SiC نیز در فرآیندهای دمای بالا مانند کاشت یون در دمای بالا، اکسیداسیون در دمای بالا، فعال‌سازی در دمای بالا و فرآیند ماسک سخت مورد نیاز این فرآیندهای دمای بالا است.
رشد آهسته کریستال: سرعت رشد میله کریستال Si می تواند به 30 ~ 150 میلی متر در ساعت برسد و تولید میله کریستال سیلیکونی 1-3 متری فقط حدود 1 روز طول می کشد.میله کریستال SiC با روش PVT به عنوان مثال، نرخ رشد حدود 0.2-0.4 میلی متر در ساعت است، 7 روز برای رشد کمتر از 3-6 سانتی متر، نرخ رشد کمتر از 1٪ از مواد سیلیکون، ظرفیت تولید بسیار است. محدود.
پارامترهای محصول بالا و بازده کم: پارامترهای اصلی بستر SiC شامل چگالی میکروتوبول، چگالی جابجایی، مقاومت، تاب خوردگی، زبری سطح و غیره است. در حالی که شاخص های پارامتر را کنترل می کند.
این ماده دارای سختی بالا، شکنندگی بالا، زمان برش طولانی و سایش بالا است: سختی SiC Mohs 9.25 تنها پس از الماس است که منجر به افزایش قابل توجهی در سختی برش، آسیاب و پرداخت می شود و تقریباً 120 ساعت طول می کشد تا برش داده شود. 35-40 قطعه از یک شمش به ضخامت 3 سانتی متر را برش دهید.علاوه بر این، به دلیل شکنندگی بالای SiC، سایش پردازش ویفر بیشتر خواهد بود و نسبت خروجی تنها حدود 60٪ است.
روند توسعه: افزایش اندازه + کاهش قیمت
خط تولید حجم 6 اینچی بازار جهانی SiC در حال بلوغ است و شرکت های پیشرو وارد بازار 8 اینچی شده اند.پروژه های توسعه داخلی عمدتاً 6 اینچ هستند.در حال حاضر، اگرچه اکثر شرکت های داخلی هنوز بر روی خطوط تولید 4 اینچی هستند، اما صنعت به تدریج در حال گسترش به 6 اینچ است، با بلوغ فناوری تجهیزات پشتیبانی 6 اینچی، فناوری بستر SiC داخلی نیز به تدریج اقتصاد کشور را بهبود می بخشد. مقیاس خطوط تولید در اندازه بزرگ منعکس خواهد شد و فاصله زمانی تولید انبوه داخلی 6 اینچی فعلی به 7 سال کاهش یافته است.اندازه ویفر بزرگتر می تواند باعث افزایش تعداد تراشه های منفرد شود، نرخ بازده را بهبود بخشد و نسبت تراشه های لبه را کاهش دهد و هزینه تحقیق و توسعه و کاهش عملکرد در حدود 7٪ حفظ می شود و در نتیجه ویفر را بهبود می بخشد. استفاده
هنوز مشکلات زیادی در طراحی دستگاه وجود دارد
تجاری سازی دیود SiC به تدریج بهبود می یابد، در حال حاضر، تعدادی از تولید کنندگان داخلی محصولات SiC SBD را طراحی کرده اند، محصولات SiC SBD ولتاژ متوسط و بالا دارای ثبات خوبی هستند، در خودرو OBC، استفاده از SiC SBD + SI IGBT برای دستیابی به پایداری چگالی جریاندر حال حاضر هیچ مانعی در طراحی پتنت محصولات SiC SBD در چین وجود ندارد و شکاف با کشورهای خارجی کم است.
SiC MOS هنوز مشکلات زیادی دارد، هنوز شکافی بین SiC MOS و تولیدکنندگان خارج از کشور وجود دارد و پلت فرم تولید مربوطه هنوز در دست ساخت است.در حال حاضر، ST، Infineon، Rohm و سایر MOS های SiC 600-1700 ولت به تولید انبوه دست یافته اند و با بسیاری از صنایع تولیدی امضا و ارسال شده اند، در حالی که طراحی داخلی SiC MOS اساساً تکمیل شده است، تعدادی از تولیدکنندگان طراحی در حال کار با فبلت ها هستند. مرحله جریان ویفر و بعداً تأیید مشتری هنوز به زمان نیاز دارد، بنابراین هنوز زمان زیادی از تجاری سازی در مقیاس بزرگ باقی مانده است.
در حال حاضر، ساختار مسطح انتخاب اصلی است و نوع ترانشه در آینده به طور گسترده در زمینه فشار بالا استفاده می شود.ساختار مسطح تولید کنندگان SiC MOS بسیاری هستند، ساختار مسطح آسان نیست برای ایجاد مشکلات شکست محلی در مقایسه با شیار، بر پایداری کار تاثیر می گذارد، در بازار زیر 1200 ولت دارای طیف گسترده ای از ارزش کاربردی است، و ساختار مسطح نسبتا ساده در پایان ساخت، برای دیدار با قابلیت ساخت و کنترل هزینه دو جنبه.دستگاه شیار دارای مزایای اندوکتانس انگلی بسیار کم، سرعت سوئیچینگ سریع، تلفات کم و عملکرد نسبتا بالا است.
2--اخبار ویفر SiC
کاربید سیلیکون در بازار تولید و رشد فروش، توجه به عدم تعادل ساختاری بین عرضه و تقاضا
با رشد سریع تقاضای بازار برای لوازم الکترونیکی با فرکانس بالا و توان بالا، گلوگاه محدودیت فیزیکی دستگاه های نیمه هادی مبتنی بر سیلیکون به تدریج برجسته شده است و مواد نیمه هادی نسل سوم که توسط کاربید سیلیکون (SiC) نشان داده شده اند، به تدریج برجسته شده اند. صنعتی شدناز نقطه نظر عملکرد مواد، کاربید سیلیکون 3 برابر عرض باند مواد سیلیکونی، 10 برابر قدرت میدان الکتریکی شکست بحرانی، 3 برابر رسانایی حرارتی دارد، بنابراین دستگاه های قدرت کاربید سیلیکون برای فرکانس بالا، فشار بالا مناسب هستند. دمای بالا و سایر کاربردها، به بهبود کارایی و چگالی توان سیستم های الکترونیکی قدرت کمک می کند.
در حال حاضر دیودهای SiC و ماسفت های SiC به تدریج به بازار رفته اند و محصولات بالغ تری نیز وجود دارد که در میان آنها دیودهای SiC به طور گسترده به جای دیودهای مبتنی بر سیلیکون در برخی زمینه ها استفاده می شود زیرا مزیت شارژ بازیابی معکوس را ندارند.SiC MOSFET همچنین به تدریج در زمینه های خودرو، ذخیره انرژی، شمع شارژ، فتوولتائیک و سایر زمینه ها استفاده می شود.در زمینه کاربردهای خودرو، روند مدولارسازی بیش از پیش برجسته‌تر می‌شود، عملکرد برتر SiC باید به فرآیندهای بسته‌بندی پیشرفته تکیه کند تا از نظر فنی با آب‌بندی پوسته نسبتاً بالغ به عنوان جریان اصلی، آینده یا توسعه آب‌بندی پلاستیکی دست یابد. ، ویژگی های توسعه سفارشی آن برای ماژول های SiC مناسب تر است.
سرعت کاهش قیمت کاربید سیلیکون یا فراتر از تصور
استفاده از دستگاه‌های کاربید سیلیکون عمدتاً به دلیل هزینه بالا محدود می‌شود، قیمت ماسفت SiC در همان سطح 4 برابر بیشتر از IGBT مبتنی بر Si است، این به این دلیل است که فرآیند کاربید سیلیکون پیچیده است، که در آن رشد تک کریستال و اپیتاکسیال نه تنها برای محیط زیست سخت است، بلکه سرعت رشد نیز آهسته است و پردازش تک کریستال در بستر باید از طریق فرآیند برش و پرداخت انجام شود.بر اساس ویژگی های مواد خود و فناوری پردازش نابالغ، بازده بستر داخلی کمتر از 50٪ است و عوامل مختلف منجر به قیمت بالای بستر و همپایی می شود.
با این حال، ترکیب هزینه دستگاه‌های کاربید سیلیکون و دستگاه‌های مبتنی بر سیلیکون کاملاً مخالف است، هزینه‌های زیرلایه و اپیتاکسیال کانال جلو به ترتیب 47٪ و 23٪ از کل دستگاه را تشکیل می دهند که در مجموع حدود 70٪ است، طراحی دستگاه، ساخت. و پیوندهای آب بندی کانال پشتی تنها 30٪، هزینه تولید دستگاه های مبتنی بر سیلیکون عمدتاً در ساخت ویفر کانال پشتی حدود 50٪ متمرکز است و هزینه بستر تنها 7٪ است.پدیده ارزش زنجیره صنعت کاربید سیلیکون وارونه به این معنی است که تولید کنندگان اپیتاکسی بستر بالادستی حق اصلی صحبت را دارند که کلید چیدمان شرکت های داخلی و خارجی است.
از نقطه نظر پویایی در بازار، کاهش هزینه کاربید سیلیکون، علاوه بر بهبود فرآیند کریستال بلند و برش کاربید سیلیکون، گسترش اندازه ویفر است که مسیر بالغ توسعه نیمه هادی در گذشته نیز بوده است. داده‌های Wolfspeed نشان می‌دهد که بستر کاربید سیلیکون از 6 اینچ به 8 اینچ ارتقا می‌یابد، تولید تراشه واجد شرایط می‌تواند 80٪ -90٪ افزایش یابد و به بهبود عملکرد کمک کند.می تواند هزینه واحد ترکیبی را تا 50٪ کاهش دهد.
سال 2023 به عنوان "سال اول 8 اینچی SiC" شناخته می شود، امسال، تولید کنندگان داخلی و خارجی کاربید سیلیکون در حال تسریع طرح کاربید سیلیکون 8 اینچی هستند، مانند سرمایه گذاری دیوانه وار Wolfspeed 14.55 میلیارد دلار آمریکا برای توسعه تولید کاربید سیلیکون، بخش مهمی از آن ساخت کارخانه تولید زیرلایه SiC 8 اینچی است، برای اطمینان از تامین آینده 200 میلی متر فلز SiC لخت برای تعدادی از شرکت ها.Tianyue Advanced داخلی و Tianke Heda همچنین قراردادهای بلندمدتی با Infineon برای تامین زیرلایه های کاربید سیلیکون 8 اینچی در آینده امضا کرده اند.
از سال جاری، کاربید سیلیکون از 6 اینچ به 8 اینچ شتاب خواهد گرفت، Wolfspeed انتظار دارد که تا سال 2024، هزینه تراشه واحد بستر 8 اینچی در مقایسه با هزینه تراشه واحد بستر 6 اینچی در سال 2022 بیش از 60 درصد کاهش یابد. داده های تحقیقاتی Ji Bond Consulting اشاره کرد، و کاهش هزینه باعث باز شدن بیشتر بازار برنامه خواهد شد.سهم بازار فعلی محصولات 8 اینچی کمتر از 2 درصد است و انتظار می‌رود سهم بازار تا سال 2026 به حدود 15 درصد افزایش یابد.
در واقع، نرخ کاهش قیمت بستر کاربید سیلیکون ممکن است از تصور بسیاری از مردم فراتر رود، پیشنهاد بازار فعلی بستر 6 اینچی 4000-5000 یوان / قطعه است، در مقایسه با آغاز سال بسیار کاهش یافته است. انتظار می رود در سال آینده به زیر 4000 یوان سقوط کند، شایان ذکر است که برخی از تولید کنندگان به منظور به دست آوردن بازار اول، قیمت فروش را به خط هزینه زیر کاهش داده اند، مدل جنگ قیمت را باز کردند که عمدتاً در بستر کاربید سیلیکون متمرکز شده است. عرضه در زمینه ولتاژ پایین نسبتاً کافی بوده است، تولیدکنندگان داخلی و خارجی به شدت ظرفیت تولید را گسترش می‌دهند، یا اجازه می‌دهند که بستر کاربید سیلیکون زودتر از آنچه تصور می‌شد، به مرحله عرضه بیش از حد برسد.
زمان ارسال: ژانویه-19-2024