Úvod do karbidu křemíku
Karbid křemíku (SiC) je složený polovodičový materiál složený z uhlíku a křemíku, který je jedním z ideálních materiálů pro výrobu vysokoteplotních, vysokofrekvenčních, vysokovýkonových a vysokonapěťových zařízení.Ve srovnání s tradičním křemíkovým materiálem (Si) je zakázané pásmo karbidu křemíku 3krát větší než u křemíku.Tepelná vodivost je 4-5krát vyšší než u křemíku;Průrazné napětí je 8-10krát vyšší než u křemíku;Elektronická rychlost driftu saturace je 2-3krát vyšší než u křemíku, což splňuje potřeby moderního průmyslu pro vysoký výkon, vysoké napětí a vysokou frekvenci.Používá se především pro výrobu vysokorychlostních, vysokofrekvenčních, vysoce výkonných a světlo emitujících elektronických součástek.Mezi navazující aplikační oblasti patří inteligentní sítě, nová energetická vozidla, fotovoltaická větrná energie, komunikace 5G atd. Komerčně byly použity diody z karbidu křemíku a MOSFETy.
Vysoká teplotní odolnost.Šířka zakázaného pásu karbidu křemíku je 2-3krát větší než u křemíku, elektrony se nesnadno přenášejí při vysokých teplotách a snesou vyšší provozní teploty a tepelná vodivost karbidu křemíku je 4-5krát větší než u křemíku, usnadňuje odvod tepla zařízení a zvyšuje mezní provozní teplotu.Vysoká teplotní odolnost může výrazně zvýšit hustotu výkonu a zároveň snížit požadavky na chladicí systém, díky čemuž je terminál lehčí a menší.
Vydržet vysoký tlak.Síla průrazného elektrického pole karbidu křemíku je 10krát větší než u křemíku, který snese vyšší napětí a je vhodnější pro vysokonapěťová zařízení.
Vysokofrekvenční odpor.Karbid křemíku má dvojnásobnou rychlost driftu nasycených elektronů než křemík, což má za následek nepřítomnost ochlazení proudu během procesu vypínání, což může účinně zlepšit spínací frekvenci zařízení a realizovat miniaturizaci zařízení.
Nízká energetická ztráta.Ve srovnání s křemíkovým materiálem má karbid křemíku velmi nízkou odolnost proti pnutí a nízkou ztrátu.Současně velká šířka pásma karbidu křemíku výrazně snižuje svodový proud a ztrátu výkonu.Kromě toho u zařízení z karbidu křemíku nedochází během procesu vypínání k jevu sestupu proudu a spínací ztráta je nízká.
Průmyslový řetězec karbidu křemíku
Zahrnuje především substrát, epitaxi, návrh zařízení, výrobu, těsnění a tak dále.Karbid křemíku z materiálu do polovodičového napájecího zařízení zažije růst monokrystalů, krájení ingotů, epitaxní růst, návrh waferů, výrobu, balení a další procesy.Po syntéze prášku karbidu křemíku se nejprve vyrobí ingot karbidu křemíku a poté se krájením, broušením a leštěním získá substrát z karbidu křemíku a epitaxní list se získá epitaxním růstem.Epitaxní plátek je vyroben z karbidu křemíku litografií, leptáním, iontovou implantací, pasivací kovů a dalšími procesy, plátek je vyřezán do formy, zařízení je zabaleno a zařízení je spojeno do speciálního pouzdra a sestaveno do modulu.
Před průmyslovým řetězcem 1: růst substrátu a krystalů je základním procesním článkem
Substrát z karbidu křemíku představuje asi 47 % nákladů na zařízení z karbidu křemíku, nejvyšší výrobní technické bariéry, největší hodnota, je jádrem budoucí rozsáhlé industrializace SiC.
Z hlediska rozdílů elektrochemických vlastností lze substrátové materiály z karbidu křemíku rozdělit na vodivé substráty (oblast odporu 15~30mΩ·cm) a poloizolované substráty (odpor vyšší než 105Ω·cm).Tyto dva druhy substrátů se používají k výrobě diskrétních zařízení, jako jsou napájecí zařízení a radiofrekvenční zařízení, v tomto pořadí po epitaxním růstu.Mezi nimi se poloizolovaný substrát z karbidu křemíku používá hlavně při výrobě RF zařízení z nitridu galia, fotoelektrických zařízení a tak dále.Pěstováním gan epitaxní vrstvy na poloizolovaném SIC substrátu se připravuje sic epitaxní destička, kterou lze dále připravit do HEMT gan iso-nitridových RF zařízení.Vodivý substrát z karbidu křemíku se používá hlavně při výrobě energetických zařízení.Na rozdíl od tradičního výrobního procesu energetického zařízení křemíku nelze výkonové zařízení z karbidu křemíku vyrobit přímo na substrát z karbidu křemíku, epitaxní vrstva karbidu křemíku musí být pěstována na vodivém substrátu, aby se získala epitaxní vrstva karbidu křemíku a epitaxní vrstva vrstva se vyrábí na Schottkyho diodě, MOSFETu, IGBT a dalších výkonových zařízeních.
Prášek karbidu křemíku byl syntetizován z vysoce čistého uhlíkového prášku a vysoce čistého křemíkového prášku a různé velikosti ingotu karbidu křemíku byly pěstovány ve speciálním teplotním poli a poté byl substrát z karbidu křemíku vyroben několika procesy zpracování.Základní proces zahrnuje:
Syntéza suroviny: Vysoce čistý silikonový prášek + toner se smíchá podle vzorce a reakce se provádí v reakční komoře za podmínek vysoké teploty nad 2000 °C, aby se syntetizovaly částice karbidu křemíku se specifickým typem krystalu a částice velikost.Poté prostřednictvím drcení, třídění, čištění a dalších procesů, aby byly splněny požadavky na vysoce čisté práškové suroviny z karbidu křemíku.
Růst krystalů je základním procesem výroby substrátu z karbidu křemíku, který určuje elektrické vlastnosti substrátu z karbidu křemíku.V současnosti jsou hlavními metodami růstu krystalů fyzikální přenos par (PVT), vysokoteplotní chemická depozice z par (HT-CVD) a epitaxe v kapalné fázi (LPE).Mezi nimi je metoda PVT v současnosti hlavní metodou komerčního růstu substrátu SiC, s nejvyšší technickou vyspělostí a nejrozšířenější ve strojírenství.
Příprava SiC substrátu je obtížná, což vede k jeho vysoké ceně
Kontrola teplotního pole je obtížná: Růst krystalové tyče Si potřebuje pouze 1500 ℃, zatímco krystalová tyč SiC musí být pěstována při vysoké teplotě nad 2000 ℃ a existuje více než 250 izomerů SiC, ale hlavní 4H-SiC monokrystalová struktura pro výroba energetických zařízení, ne-li přesné řízení, dostane jiné krystalové struktury.Teplotní gradient v kelímku navíc určuje rychlost přenosu sublimace SiC a uspořádání a způsob růstu plynných atomů na rozhraní krystalu, což ovlivňuje rychlost růstu krystalu a kvalitu krystalu, proto je nutné vytvořit systematické teplotní pole řídicí technologie.Ve srovnání s materiály Si je rozdíl ve výrobě SiC také ve vysokoteplotních procesech, jako je vysokoteplotní iontová implantace, vysokoteplotní oxidace, vysokoteplotní aktivace a proces tvrdé masky, který tyto vysokoteplotní procesy vyžadují.
Pomalý růst krystalů: rychlost růstu Si krystalové tyče může dosáhnout 30 ~ 150 mm/h a výroba 1-3m křemíkové krystalové tyče trvá pouze asi 1 den;SiC krystalová tyč s metodou PVT jako příklad, rychlost růstu je asi 0,2-0,4 mm/h, 7 dní naroste méně než 3-6 cm, rychlost růstu je menší než 1% křemíkového materiálu, výrobní kapacita je extrémně omezený.
Vysoké parametry produktu a nízký výtěžek: základní parametry substrátu SiC zahrnují hustotu mikrotubulů, hustotu dislokací, měrný odpor, deformaci, drsnost povrchu atd. Jedná se o složité systémové inženýrství, které umožňuje uspořádání atomů v uzavřené vysokoteplotní komoře a úplný růst krystalů, při řízení indexů parametrů.
Materiál má vysokou tvrdost, vysokou křehkost, dlouhou dobu řezání a vysoké opotřebení: SiC Mohsova tvrdost 9,25 je na druhém místě za diamantem, což vede k výraznému zvýšení obtížnosti řezání, broušení a leštění a trvá přibližně 120 hodin. nakrájíme 35-40 kusů 3 cm silného ingotu.Navíc v důsledku vysoké křehkosti SiC bude opotřebení zpracováním plátků větší a výstupní poměr je pouze asi 60 %.
Trend vývoje: Zvětšení velikosti + snížení ceny
Globální 6palcová výrobní linka na trhu SiC dozrává a přední společnosti vstoupily na 8palcový trh.Tuzemské developerské projekty jsou především 6 palců.V současné době je sice většina tuzemských firem stále založena na 4palcových výrobních linkách, ale průmysl se postupně rozšiřuje na 6palcové, s vyspělostí technologie 6palcových podpůrných zařízení, tuzemská technologie SiC substrátů také postupně zlepšuje úspory se odrazí rozsah velkých výrobních linek a současná domácí 6palcová masová výroba se zúžila na 7 let.Větší velikost waferu může přinést zvýšení počtu jednotlivých čipů, zlepšit výnos a snížit podíl okrajových čipů a náklady na výzkum a vývoj a ztráta výnosu budou udržovány na přibližně 7 %, čímž se zlepší wafer. využití.
Při návrhu zařízení je stále mnoho problémů
Komercializace SiC diody se postupně zlepšuje, v současnosti řada tuzemských výrobců navrhla produkty SiC SBD, středně a vysokonapěťové SiC SBD produkty mají dobrou stabilitu, ve vozidle OBC je použití SiC SBD+SI IGBT k dosažení stabilní proudová hustota.V současné době neexistují žádné překážky v patentovém designu produktů SiC SBD v Číně a propast se zahraničím je malá.
SiC MOS má stále mnoho obtíží, stále existuje mezera mezi SiC MOS a zámořskými výrobci a příslušná výrobní platforma je stále ve výstavbě.V současné době ST, Infineon, Rohm a další 600-1700V SiC MOS dosáhly hromadné výroby a byly podepsány a odeslány do mnoha výrobních odvětví, zatímco současný domácí design SiC MOS byl v podstatě dokončen, řada výrobců designu pracuje s fab na fáze toku waferů a pozdější ověření zákazníka potřebuje ještě nějaký čas, takže do velké komercializace zbývá ještě dlouhá doba.
V současnosti je plošná struktura hlavní volbou a typ výkopu je v budoucnu široce používán ve vysokotlakém poli.Planární struktura SiC MOS výrobců je mnoho, planární struktura není snadné produkovat místní problémy s rozpadem ve srovnání s drážkou, ovlivňující stabilitu práce, na trhu pod 1200V má široký rozsah aplikační hodnoty a rovinná struktura je relativně jednoduché ve výrobě, splnit dva aspekty vyrobitelnosti a kontroly nákladů.Drážkové zařízení má výhody extrémně nízké parazitní indukčnosti, rychlé spínací rychlosti, nízkých ztrát a relativně vysokého výkonu.
2--SiC oplatky novinky
Růst produkce a prodeje na trhu s karbidem křemíku, věnujte pozornost strukturální nerovnováze mezi nabídkou a poptávkou
S rychlým růstem tržní poptávky po vysokofrekvenční a výkonové elektronice se postupně prosadilo fyzické omezení polovodičových součástek na bázi křemíku a polovodičové materiály třetí generace reprezentované karbidem křemíku (SiC) se postupně dostaly do popředí. industrializovat se.Z hlediska materiálového výkonu má karbid křemíku 3krát větší šířku pásma než křemíkový materiál, 10krát větší sílu elektrického pole při kritickém průrazu, 3krát větší tepelnou vodivost, takže výkonová zařízení z karbidu křemíku jsou vhodná pro vysokofrekvenční, vysokotlaké, vysokoteplotní a další aplikace pomáhají zlepšit účinnost a hustotu výkonu výkonových elektronických systémů.
V současnosti se na trh postupně dostaly SiC diody a SiC MOSFETy a existují vyspělejší produkty, mezi nimiž se v některých oborech hojně používají SiC diody namísto diod na bázi křemíku, protože nemají výhodu zpětného nabíjení;SiC MOSFET se postupně používá také v automobilovém průmyslu, skladování energie, nabíjecích hromadách, fotovoltaice a dalších oborech;V oblasti automobilových aplikací se stále více prosazuje trend modularizace, vynikající výkon SiC se musí spoléhat na pokročilé balicí procesy, aby bylo technicky možné s relativně vyspělým těsněním pláště jako hlavním proudem budoucnosti nebo vývoje plastových těsnění. , jeho přizpůsobené vývojové charakteristiky jsou vhodnější pro moduly SiC.
Rychlost poklesu ceny karbidu křemíku nebo mimo představivost
Použití zařízení z karbidu křemíku je omezeno především vysokou cenou, cena SiC MOSFET na stejné úrovni je 4krát vyšší než cena IGBT na bázi Si, je to proto, že proces karbidu křemíku je složitý, při kterém dochází k růstu monokrystal a epitaxní je nejen drsný pro životní prostředí, ale také rychlost růstu je pomalá a zpracování monokrystalu na substrát musí projít procesem řezání a leštění.Na základě vlastních materiálových charakteristik a nevyzrálé technologie zpracování je výtěžnost domácího substrátu nižší než 50 % a různé faktory vedou k vysokým cenám substrátu a epitaxe.
Složení nákladů na zařízení z karbidu křemíku a zařízení na bázi křemíku je však diametrálně opačné, náklady na substrát a epitaxi předního kanálu tvoří 47 % a 23 % celého zařízení, celkem asi 70 %, konstrukce zařízení, výroba a těsnicí články zadního kanálu tvoří pouze 30 %, výrobní náklady zařízení na bázi křemíku se soustředí hlavně na výrobu plátků zadního kanálu asi 50 % a náklady na substrát tvoří pouze 7 %.Fenomén hodnoty průmyslového řetězce karbidu křemíku vzhůru nohama znamená, že výrobci substrátových epitaxí mají základní právo mluvit, což je klíčem k uspořádání domácích a zahraničních podniků.
Z dynamického hlediska na trhu je snížení nákladů na karbid křemíku, kromě zlepšení procesu dlouhého krystalu karbidu křemíku a procesu krájení, rozšíření velikosti waferu, což je také vyspělá cesta vývoje polovodičů v minulosti, Údaje společnosti Wolfspeed ukazují, že upgradování substrátu z karbidu křemíku z 6 palců na 8 palců, kvalifikovaná produkce čipů se může zvýšit o 80 % až 90 % a pomoci zlepšit výtěžnost.Může snížit kombinované jednotkové náklady o 50 %.
Rok 2023 je známý jako „8palcový SiC první rok“, v tomto roce domácí i zahraniční výrobci karbidu křemíku urychlují uspořádání 8palcových karbidu křemíku, jako je šílená investice Wolfspeed ve výši 14,55 miliardy amerických dolarů na rozšíření výroby karbidu křemíku, jehož důležitou součástí je výstavba 8palcového závodu na výrobu substrátů SiC, Pro zajištění budoucích dodávek 200 mm holého kovu SiC řadě společností;Domestic Tianyue Advanced a Tianke Heda také podepsaly dlouhodobé smlouvy se společností Infineon na budoucí dodávky 8palcových substrátů z karbidu křemíku.
Od letošního roku se karbid křemíku zrychlí z 6 palců na 8 palců, Wolfspeed očekává, že do roku 2024 se náklady na jednotkový čip 8palcového substrátu ve srovnání s jednotkovými náklady na 6palcový substrát v roce 2022 sníží o více než 60 % a pokles nákladů dále otevře aplikační trh, poukázala data výzkumu Ji Bond Consulting.Současný tržní podíl 8palcových produktů je menší než 2 % a očekává se, že podíl na trhu vzroste do roku 2026 na přibližně 15 %.
Ve skutečnosti může rychlost poklesu ceny substrátu z karbidu křemíku přesáhnout představivost mnoha lidí, současná tržní nabídka 6palcového substrátu je 4000-5000 juanů/kus, ve srovnání se začátkem roku hodně klesla, je očekává se, že příští rok klesne pod 4000 juanů, stojí za zmínku, že někteří výrobci, aby získali první trh, snížili prodejní cenu na nákladovou linii níže, otevřeli model cenové války, který se soustředil hlavně na substrát z karbidu křemíku nabídka byla v nízkonapěťové oblasti relativně dostatečná, domácí i zahraniční výrobci agresivně rozšiřují výrobní kapacity nebo nechávají substrát z karbidu křemíku přečerpat dříve, než by se předpokládalo.
Čas odeslání: 19. ledna 2024