Úvod do karbidu kremíka
Karbid kremíka (SiC) je zložený polovodičový materiál zložený z uhlíka a kremíka, ktorý je jedným z ideálnych materiálov na výrobu vysokoteplotných, vysokofrekvenčných, vysokovýkonných a vysokonapäťových zariadení. V porovnaní s tradičným kremíkovým materiálom (Si) je zakázané pásmo karbidu kremíka 3-krát väčšie ako u kremíka. Tepelná vodivosť je 4-5 krát vyššia ako u kremíka; Prierazné napätie je 8-10 krát väčšie ako u kremíka; Elektronická rýchlosť driftu saturácie je 2-3 krát vyššia ako u kremíka, čo spĺňa potreby moderného priemyslu pre vysoký výkon, vysoké napätie a vysokú frekvenciu. Používa sa hlavne na výrobu vysokorýchlostných, vysokofrekvenčných, vysokovýkonných a svetlo vyžarujúcich elektronických súčiastok. Následné aplikačné oblasti zahŕňajú inteligentné siete, nové energetické vozidlá, fotovoltaickú veternú energiu, 5G komunikáciu atď. Komerčne sa využívajú diódy z karbidu kremíka a MOSFETy.
Odolnosť voči vysokej teplote. Šírka zakázaného pásma karbidu kremíka je 2-3 krát väčšia ako u kremíka, prechod elektrónov nie je jednoduchý pri vysokých teplotách a môže vydržať vyššie prevádzkové teploty a tepelná vodivosť karbidu kremíka je 4-5 krát väčšia ako u kremíka, uľahčenie odvodu tepla zariadenia a zvýšenie limitnej prevádzkovej teploty. Vysoká teplotná odolnosť môže výrazne zvýšiť hustotu výkonu a zároveň znížiť požiadavky na chladiaci systém, vďaka čomu je terminál ľahší a menší.
Odolajte vysokému tlaku. Intenzita prierazného elektrického poľa karbidu kremíka je 10-krát väčšia ako u kremíka, ktorý znesie vyššie napätie a je vhodnejší pre vysokonapäťové zariadenia.
Vysokofrekvenčný odpor. Karbid kremíka má dvojnásobnú rýchlosť driftu nasýtených elektrónov v porovnaní s kremíkom, čo vedie k absencii prúdového tailingu počas procesu vypínania, čo môže účinne zlepšiť spínaciu frekvenciu zariadenia a realizovať miniaturizáciu zariadenia.
Nízka strata energie. V porovnaní s kremíkovým materiálom má karbid kremíka veľmi nízky odpor a nízku stratu. Zároveň veľká šírka pásma karbidu kremíka výrazne znižuje zvodový prúd a stratu výkonu. Okrem toho zariadenie z karbidu kremíka nemá počas procesu vypínania prúdový jav a spínacia strata je nízka.
Priemyselný reťazec karbidu kremíka
Zahŕňa hlavne substrát, epitaxiu, dizajn zariadenia, výrobu, tesnenie atď. Karbid kremíka z materiálu do polovodičového energetického zariadenia zažije rast monokryštálov, krájanie ingotov, epitaxný rast, návrh plátku, výrobu, balenie a ďalšie procesy. Po syntéze prášku karbidu kremíka sa najskôr vyrobí ingot karbidu kremíka a potom sa krájaním, brúsením a leštením získa substrát karbidu kremíka a epitaxiálnym rastom sa získa epitaxiálny list. Epitaxný plátok je vyrobený z karbidu kremíka prostredníctvom litografie, leptania, implantácie iónov, pasivácie kovu a iných procesov, plátok je vyrezaný na matricu, zariadenie je zabalené a zariadenie je spojené do špeciálneho obalu a zostavené do modulu.
Pred priemyselným reťazcom 1: rast substrátu a kryštálov je hlavným procesným spojením
Substrát z karbidu kremíka predstavuje asi 47% nákladov na zariadenia z karbidu kremíka, najvyššie výrobné technické bariéry, najväčšia hodnota, je jadrom budúcej rozsiahlej industrializácie SiC.
Z hľadiska rozdielov v elektrochemických vlastnostiach možno substrátové materiály z karbidu kremíka rozdeliť na vodivé substráty (oblasť odporu 15~30mΩ·cm) a poloizolované substráty (odpor vyšší ako 105Ω·cm). Tieto dva druhy substrátov sa používajú na výrobu diskrétnych zariadení, ako sú energetické zariadenia a rádiofrekvenčné zariadenia po epitaxiálnom raste. Medzi nimi sa poloizolovaný substrát z karbidu kremíka používa hlavne pri výrobe RF zariadení z nitridu gália, fotoelektrických zariadení atď. Pestovaním gan epitaxnej vrstvy na poloizolovanom SIC substráte sa pripraví sic epitaxná platňa, ktorú je možné ďalej pripraviť do HEMT gan izonitridových RF zariadení. Vodivý substrát z karbidu kremíka sa používa hlavne pri výrobe energetických zariadení. Na rozdiel od tradičného výrobného procesu výkonového zariadenia kremíka sa výkonové zariadenie z karbidu kremíka nedá vyrobiť priamo na substrát z karbidu kremíka, epitaxiálna vrstva karbidu kremíka sa musí pestovať na vodivom substráte, aby sa získala epitaxiálna vrstva karbidu kremíka a epitaxná vrstva. vrstva sa vyrába na Schottkyho dióde, MOSFET, IGBT a iných výkonových zariadeniach.
Prášok karbidu kremíka bol syntetizovaný z uhlíkového prášku vysokej čistoty a kremíkového prášku s vysokou čistotou a rôzne veľkosti ingotov karbidu kremíka sa pestovali v špeciálnom teplotnom poli a potom sa substrát karbidu kremíka vyrábal prostredníctvom viacerých procesov spracovania. Základný proces zahŕňa:
Syntéza suroviny: Kremíkový prášok vysokej čistoty + toner sa zmiešajú podľa vzorca a reakcia sa uskutočňuje v reakčnej komore za podmienok vysokej teploty nad 2000 °C, aby sa syntetizovali častice karbidu kremíka so špecifickým typom kryštálov a častíc. veľkosť. Potom cez drvenie, preosievanie, čistenie a iné procesy, aby sa splnili požiadavky na práškové suroviny z karbidu kremíka s vysokou čistotou.
Rast kryštálov je základným procesom výroby substrátu z karbidu kremíka, ktorý určuje elektrické vlastnosti substrátu z karbidu kremíka. V súčasnosti sú hlavnými metódami rastu kryštálov fyzikálny prenos pár (PVT), chemická depozícia pri vysokej teplote (HT-CVD) a epitaxia v kvapalnej fáze (LPE). Spomedzi nich je metóda PVT v súčasnosti hlavnou metódou komerčného rastu substrátu SiC, s najvyššou technickou vyspelosťou a najpoužívanejšou v strojárstve.
Príprava SiC substrátu je náročná, čo vedie k jeho vysokej cene
Kontrola teplotného poľa je náročná: rast Si kryštálovej tyčinky potrebuje iba 1500 ℃, zatiaľ čo SiC kryštálová tyčinka musí byť pestovaná pri vysokej teplote nad 2000 ℃ a existuje viac ako 250 SiC izomérov, ale hlavná 4H-SiC monokryštálová štruktúra pre výroba energetických zariadení, ak nie presné riadenie, dostane iné kryštálové štruktúry. Okrem toho teplotný gradient v tégliku určuje rýchlosť sublimačného prenosu SiC a usporiadanie a spôsob rastu plynných atómov na kryštálovom rozhraní, čo ovplyvňuje rýchlosť rastu kryštálov a kvalitu kryštálov, preto je potrebné vytvoriť systematické teplotné pole. ovládacia technika. V porovnaní s materiálmi Si je rozdiel vo výrobe SiC tiež vo vysokoteplotných procesoch, ako je vysokoteplotná implantácia iónov, vysokoteplotná oxidácia, vysokoteplotná aktivácia a proces tvrdej masky, ktorý si tieto vysokoteplotné procesy vyžadujú.
Pomalý rast kryštálov: rýchlosť rastu Si kryštálovej tyče môže dosiahnuť 30 ~ 150 mm/h a výroba 1-3m kremíkovej kryštálovej tyče trvá len asi 1 deň; SiC kryštálová tyč s metódou PVT ako príklad, rýchlosť rastu je asi 0,2-0,4 mm/h, 7 dní narastie menej ako 3-6 cm, rýchlosť rastu je menšia ako 1% kremíkového materiálu, výrobná kapacita je extrémne obmedzené.
Vysoké parametre produktu a nízky výťažok: základné parametre substrátu SiC zahŕňajú hustotu mikrotubulov, hustotu dislokácií, merný odpor, deformáciu, drsnosť povrchu atď. Ide o komplexné systémové inžinierstvo na usporiadanie atómov v uzavretej vysokoteplotnej komore a úplný rast kryštálov, pri kontrole indexov parametrov.
Materiál má vysokú tvrdosť, vysokú krehkosť, dlhý čas rezania a vysoké opotrebenie: SiC Mohsova tvrdosť 9,25 je na druhom mieste za diamantom, čo vedie k výraznému zvýšeniu náročnosti rezania, brúsenia a leštenia a trvá približne 120 hodín. nakrájajte 35-40 kusov 3 cm hrubého ingotu. Okrem toho v dôsledku vysokej krehkosti SiC bude opotrebovanie pri spracovaní plátkov väčšie a výstupný pomer je len asi 60%.
Trend vývoja: Zväčšenie veľkosti + zníženie ceny
Globálna 6-palcová výrobná linka na trhu SiC dozrieva a popredné spoločnosti vstúpili na 8-palcový trh. Domáce developerské projekty sú hlavne 6 palcové. V súčasnosti je síce väčšina domácich firiem stále založená na 4-palcových výrobných linkách, no priemysel sa postupne rozširuje na 6-palcové, s vyspelosťou 6-palcovej technológie podporných zariadení, domáca technológia SiC substrátov tiež postupne zlepšuje úspory sa odrazí rozsah veľkých výrobných liniek a súčasná časová medzera domácej 6-palcovej masovej výroby sa zúžila na 7 rokov. Väčšia veľkosť plátku môže spôsobiť zvýšenie počtu jednotlivých čipov, zlepšiť výnosnosť a znížiť podiel okrajových čipov a náklady na výskum a vývoj a strata výnosu sa udržia na úrovni približne 7 %, čím sa zlepší plátok. využitie.
V dizajne zariadenia je stále veľa problémov
Komercializácia SiC diódy sa postupne zlepšuje, v súčasnosti už množstvo domácich výrobcov navrhlo produkty SiC SBD, produkty SiC SBD stredného a vysokého napätia majú dobrú stabilitu, vo vozidle OBC je použitie SiC SBD+SI IGBT na dosiahnutie stabilného prúdová hustota. V súčasnosti neexistujú žiadne prekážky v patentovom dizajne produktov SiC SBD v Číne a rozdiel so zahraničím je malý.
SiC MOS má stále veľa ťažkostí, stále existuje priepasť medzi SiC MOS a zámorskými výrobcami a príslušná výrobná platforma je stále vo výstavbe. V súčasnosti ST, Infineon, Rohm a ďalšie 600-1700V SiC MOS dosiahli sériovú výrobu a podpísali sa a odoslali s mnohými výrobnými odvetviami, zatiaľ čo súčasný domáci dizajn SiC MOS bol v podstate dokončený, množstvo výrobcov dizajnu pracuje s fab na fáza toku plátku a neskoršie overenie zákazníka si ešte vyžaduje určitý čas, takže od rozsiahlej komercializácie je ešte veľa času.
V súčasnosti je planárna štruktúra hlavnou voľbou a typ výkopu sa v budúcnosti široko používa vo vysokotlakovom poli. Rovinná štruktúra SiC MOS výrobcov je veľa, plošná štruktúra nie je ľahké produkovať problémy s lokálnym rozpadom v porovnaní s drážkou, čo ovplyvňuje stabilitu práce, na trhu pod 1200V má široký rozsah aplikačnej hodnoty a rovinná štruktúra je relatívne jednoduché vo výrobe, aby spĺňali dva aspekty vyrobiteľnosti a kontroly nákladov. Drážkové zariadenie má výhody extrémne nízkej parazitnej indukčnosti, rýchlej rýchlosti spínania, nízkej straty a relatívne vysokého výkonu.
2--SiC oblátka novinky
Výroba a rast predaja na trhu s karbidom kremíka, venujte pozornosť štrukturálnej nerovnováhe medzi ponukou a dopytom
S rýchlym rastom trhového dopytu po vysokofrekvenčnej a výkonovej elektronike sa postupne prehĺbila fyzikálna prekážka polovodičových zariadení na báze kremíka a polovodičové materiály tretej generácie reprezentované karbidom kremíka (SiC) sa postupne presadili. industrializovať sa. Z hľadiska materiálového výkonu má karbid kremíka 3-krát väčšiu šírku pásma ako kremíkový materiál, 10-krát väčšiu intenzitu elektrického poľa pri kritickom prieraze, 3-krát vyššiu tepelnú vodivosť, takže výkonové zariadenia z karbidu kremíka sú vhodné pre vysokofrekvenčné, vysokotlakové, vysokoteplotné a iné aplikácie pomáhajú zlepšiť účinnosť a hustotu výkonu výkonových elektronických systémov.
V súčasnosti sa na trh postupne dostali SiC diódy a SiC MOSFETy a existujú vyspelejšie produkty, medzi ktorými sa v niektorých oblastiach široko používajú SiC diódy namiesto diód na báze kremíka, pretože nemajú výhodu spätného nabitia; SiC MOSFET sa postupne používa aj v automobilovom priemysle, skladovaní energie, nabíjacej hromade, fotovoltike a iných oblastiach; V oblasti automobilových aplikácií sa trend modularizácie stáva čoraz výraznejším, vynikajúci výkon SiC sa musí spoliehať na pokročilé baliace procesy, aby sa dosiahlo, technicky s relatívne vyspelým tesnením plášťa ako hlavného prúdu, budúcnosť alebo vývoj plastových tesnení. , jeho prispôsobené vývojové charakteristiky sú vhodnejšie pre moduly SiC.
Rýchlosť poklesu ceny karbidu kremíka alebo za hranicami predstavivosti
Aplikácia zariadení z karbidu kremíka je obmedzená hlavne vysokými nákladmi, cena SiC MOSFET na rovnakej úrovni je 4-krát vyššia ako cena IGBT na báze Si, je to preto, že proces karbidu kremíka je zložitý, pri ktorom dochádza k rastu monokryštál a epitaxný je nielen náročný na životné prostredie, ale aj rýchlosť rastu je pomalá a spracovanie monokryštálu do substrátu musí prejsť procesom rezania a leštenia. Na základe vlastných materiálových charakteristík a nezrelej technológie spracovania je výťažnosť domáceho substrátu nižšia ako 50 % a rôzne faktory vedú k vysokým cenám substrátu a epitaxnej vrstvy.
Zloženie nákladov zariadení z karbidu kremíka a zariadení na báze kremíka je však diametrálne opačné, náklady na substrát a epitaxné náklady na predný kanál predstavujú 47 % a 23 % celého zariadenia, čo predstavuje asi 70 %, dizajn zariadenia, výroba a tesniace články zadného kanála predstavujú iba 30 %, výrobné náklady zariadení na báze kremíka sa sústreďujú hlavne na výrobu plátkov zadného kanála asi 50 % a náklady na substrát predstavujú len 7 %. Fenomén hodnoty priemyselného reťazca karbidu kremíka naruby znamená, že výrobcovia epitaxie substrátu majú základné právo hovoriť, čo je kľúčom k usporiadaniu domácich a zahraničných podnikov.
Z dynamického hľadiska na trhu zníženie nákladov na karbid kremíka, okrem zlepšenia procesu dlhého kryštálu a rezania karbidu kremíka, znamená rozšírenie veľkosti plátku, čo je tiež vyspelá cesta vývoja polovodičov v minulosti, Údaje spoločnosti Wolfspeed ukazujú, že vylepšenie substrátu z karbidu kremíka zo 6 palcov na 8 palcov, kvalifikovaná produkcia čipov sa môže zvýšiť o 80 % až 90 % a pomôcť zlepšiť výnos. Môže znížiť kombinované jednotkové náklady o 50%.
Rok 2023 je známy ako „8-palcový SiC prvý rok“, v tomto roku domáci a zahraniční výrobcovia karbidu kremíka zrýchľujú rozloženie 8-palcového karbidu kremíka, ako napríklad bláznivá investícia Wolfspeed vo výške 14,55 miliardy amerických dolárov na rozšírenie výroby karbidu kremíka, ktorého dôležitou súčasťou je vybudovanie 8-palcového závodu na výrobu substrátov SiC, aby sa zabezpečila budúca dodávka 200 mm holého kovu SiC do počet spoločností; Domáce Tianyue Advanced a Tianke Heda tiež podpísali dlhodobé zmluvy so spoločnosťou Infineon o dodávke 8-palcových substrátov z karbidu kremíka v budúcnosti.
Od tohto roku sa karbid kremíka zrýchli zo 6 palcov na 8 palcov, Wolfspeed očakáva, že do roku 2024 sa náklady na jednotkový čip 8 palcového substrátu v porovnaní s jednotkovými nákladmi na 6 palcový substrát v roku 2022 znížia o viac ako 60 % a pokles nákladov ďalej otvorí trh s aplikáciami, poukázali údaje z výskumu Ji Bond Consulting. Súčasný trhový podiel 8-palcových produktov je menej ako 2 % a očakáva sa, že do roku 2026 tento podiel na trhu vzrastie na približne 15 %.
V skutočnosti môže rýchlosť poklesu ceny substrátu z karbidu kremíka prekročiť predstavy mnohých ľudí, súčasná trhová ponuka 6-palcového substrátu je 4000-5000 juanov/kus, v porovnaní so začiatkom roka výrazne klesla, je Očakáva sa, že budúci rok klesne pod 4000 juanov, stojí za zmienku, že niektorí výrobcovia, aby získali prvý trh, znížili predajnú cenu na nižšie uvedenú nákladovú líniu. Otvorili model cenová vojna, ktorá sa sústreďuje hlavne na dodávky substrátu z karbidu kremíka, bola v oblasti nízkeho napätia relatívne dostatočná, domáci a zahraniční výrobcovia agresívne rozširujú výrobnú kapacitu alebo nechajú substrát z karbidu kremíka prečerpať skôr, ako sa predpokladalo.
Čas odoslania: 19. januára 2024