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 súčasná 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 iba 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. Zabezpečiť budúce dodávky 200 mm holého kovu SiC pre množstvo 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 tento podiel na trhu vzrastie do roku 2026 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 v budúcom roku klesne pod 4 000 juanov, stojí za zmienku, že niektorí výrobcovia, aby získali prvý trh, znížili predajnú cenu na nižšie uvedenú nákladovú líniu, otvorili model cenovej vojny, ktorý sa sústredil hlavne na substrát z karbidu kremíka V nízkonapäťovej oblasti bola ponuka relatívne dostatočná, domáci a zahraniční výrobcovia agresívne rozširujú výrobnú kapacitu, alebo nechávajú substrát z karbidu kremíka prečerpať skôr, ako sa predpokladalo.
Čas odoslania: 19. januára 2024