Johdatus piikarbidiin
Piikarbidi (SiC) on hiilestä ja piistä koostuva yhdistepuolijohdemateriaali, joka on yksi ihanteellisista materiaaleista korkean lämpötilan, suurtaajuisen, suuritehoisen ja suurjännitelaitteen valmistukseen. Perinteiseen piimateriaaliin (Si) verrattuna piikarbidin kaistaväli on 3 kertaa piin kaistaväli. Lämmönjohtavuus on 4-5 kertaa piin johtavuus; Jakojännite on 8-10 kertaa piin jännite; Elektronisen kyllästyksen ryömintänopeus on 2-3 kertaa piin verrattuna, mikä vastaa nykyaikaisen teollisuuden tarpeita suurelle teholle, korkealle jännitteelle ja korkealle taajuudelle. Sitä käytetään pääasiassa nopeiden, korkeataajuisten, suuritehoisten ja valoa lähettävien elektronisten komponenttien valmistukseen. Loppupään sovellusalueita ovat älykäs verkko, uudet energiaajoneuvot, aurinkosähkö tuulivoima, 5G-viestintä jne. Piikarbididiodeja ja MOSFETejä on käytetty kaupallisesti.
Korkean lämpötilan kestävyys. Piikarbidin nauharaon leveys on 2-3 kertaa piin leveys, elektronit eivät ole helppoja siirtyä korkeissa lämpötiloissa, ja ne kestävät korkeampia käyttölämpötiloja, ja piikarbidin lämmönjohtavuus on 4-5 kertaa piin, jolloin laitteen lämmönpoisto helpottuu ja käyttölämpötila on korkeampi. Korkean lämpötilan kestävyys voi merkittävästi lisätä tehotiheyttä ja vähentää samalla jäähdytysjärjestelmän vaatimuksia, mikä tekee liittimestä kevyemmän ja pienemmän.
Kestää korkeaa painetta. Piikarbidin sähkökentän voimakkuus on 10 kertaa suurempi kuin piikarbidin, joka kestää korkeampia jännitteitä ja sopii paremmin suurjännitelaitteisiin.
Korkeataajuinen vastus. Piikarbidin kyllästettyjen elektronien ryömintänopeus on kaksinkertainen piin verrattuna, mikä johtaa siihen, että sammutusprosessin aikana ei esiinny virran jätteitä, mikä voi tehokkaasti parantaa laitteen kytkentätaajuutta ja toteuttaa laitteen pienentämisen.
Pieni energiahäviö. Piimateriaaliin verrattuna piikarbidilla on erittäin alhainen päällekkäisvastus ja pieni on-häviö. Samaan aikaan piikarbidin suuri kaistaleveys vähentää huomattavasti vuotovirtaa ja tehohäviötä. Lisäksi piikarbidilaitteessa ei ole virran jälkeistä ilmiötä sammutusprosessin aikana, ja kytkentähäviö on pieni.
Piikarbiditeollisuuden ketju
Se sisältää pääasiassa substraatin, epitaksin, laitesuunnittelun, valmistuksen, sulkemisen ja niin edelleen. Piikarbidi materiaalista puolijohdeteholaitteeseen kokee yksikidekasvua, harkon viipalointia, epitaksiaalista kasvua, kiekkojen suunnittelua, valmistusta, pakkausta ja muita prosesseja. Piikarbidijauheen synteesin jälkeen valmistetaan ensin piikarbidiharkko, ja sitten piikarbidisubstraatti saadaan viipaloimalla, hiomalla ja kiillottamalla, ja epitaksiaalinen levy saadaan epitaksiaalisella kasvulla. Epitaksinen kiekko valmistetaan piikarbidista litografian, etsauksen, ioni-implantaation, metallin passivoinnin ja muiden prosessien kautta, kiekko leikataan muotiksi, laite pakataan ja laite yhdistetään erikoiskuoreksi ja kootaan moduuliksi.
Teollisuusketjun ylävirtaan 1: substraatti - kiteen kasvu on prosessin ydinlinkki
Piikarbidisubstraatti muodostaa noin 47% piikarbidilaitteiden kustannuksista, korkeimmat valmistuksen tekniset esteet, suurin arvo, on tulevaisuuden laajamittaisen piikarbidin teollistumisen ydin.
Sähkökemiallisten ominaisuuksien erojen näkökulmasta piikarbidisubstraattimateriaalit voidaan jakaa johtaviin substraatteihin (resistiivisyysalue 15 ~ 30 mΩ·cm) ja puolieristettyihin substraatteihin (resistiivisyys yli 105 Ω·cm). Näitä kahta substraattityyppiä käytetään erillisten laitteiden, kuten teholaitteiden ja radiotaajuuslaitteiden valmistukseen epitaksiaalisen kasvun jälkeen. Niistä puolieristettyä piikarbidisubstraattia käytetään pääasiassa galliumnitridi-RF-laitteiden, valosähköisten laitteiden ja niin edelleen valmistuksessa. Kasvattamalla gan epitaksiaalikerrosta puolieristetylle SIC-substraatille valmistetaan sic-epitaksiaalinen levy, joka voidaan valmistaa edelleen HEMT gan iso-nitride RF -laitteiksi. Johtavaa piikarbidisubstraattia käytetään pääasiassa teholaitteiden valmistuksessa. Perinteisestä piivoimalaitteen valmistusprosessista poiketen piikarbidin teholaitetta ei voida valmistaa suoraan piikarbidisubstraatille, piikarbidin epitaksiaalinen kerros on kasvatettava johtavalle alustalle piikarbidi-epitaksiaalisen levyn saamiseksi ja epitaksiaalinen kerros valmistetaan Schottky-diodilla, MOSFETillä, IGBT:llä ja muilla teholaitteilla.
Piikarbidijauhe syntetisoitiin erittäin puhtaasta hiilijauheesta ja erittäin puhtaasta piijauheesta, ja erikokoisia piikarbidiharkkoja kasvatettiin erityisessä lämpötilakentässä, ja sitten piikarbidisubstraattia tuotettiin useilla prosessoinneilla. Ydinprosessi sisältää:
Raaka-ainesynteesi: Erittäin puhdas piijauhe + väriaine sekoitetaan kaavan mukaan ja reaktio suoritetaan reaktiokammiossa korkeassa lämpötilassa yli 2000 °C:n piikarbidihiukkasten syntetisoimiseksi tietyllä kidetyypillä ja hiukkasella koko. Sitten murskaus-, seulonta-, puhdistus- ja muiden prosessien läpi korkean puhtauden piikarbidijauheen raaka-aineiden vaatimukset täyttämiseksi.
Kiteen kasvu on piikarbidisubstraatin valmistuksen ydinprosessi, joka määrittää piikarbidisubstraatin sähköiset ominaisuudet. Tällä hetkellä tärkeimmät kiteiden kasvumenetelmät ovat fyysinen höyrynsiirto (PVT), korkean lämpötilan kemiallinen höyrypinnoitus (HT-CVD) ja nestefaasiepitaksi (LPE). Niistä PVT-menetelmä on tällä hetkellä yleisin SiC-substraatin kaupallisen kasvun menetelmä, jolla on korkein tekninen kypsyysaste ja laajimmin käytetty tekniikassa.
SiC-substraatin valmistus on vaikeaa, mikä johtaa sen korkeaan hintaan
Lämpötilan kentän säätö on vaikeaa: Si-kidesauvan kasvu tarvitsee vain 1500 ℃, kun taas SiC-kidesauva on kasvatettava korkeassa lämpötilassa, joka on yli 2000 ℃, ja SiC-isomeeriä on yli 250, mutta tärkein 4H-SiC-yksikiderakenne teholaitteiden tuotanto, ellei tarkka ohjaus, saa muita kiderakenteita. Lisäksi upokkaan lämpötilagradientti määrää piikarbidin sublimoitumisen siirtymisnopeuden ja kaasuatomien sijoittumisen ja kasvutavan kiteen rajapinnalla, mikä vaikuttaa kiteen kasvunopeuteen ja kiteen laatuun, joten on tarpeen muodostaa systemaattinen lämpötilakenttä. ohjaustekniikka. Si-materiaaleihin verrattuna ero piikarbidin tuotannossa on myös korkean lämpötilan prosesseissa, kuten korkean lämpötilan ioni-istutuksissa, korkean lämpötilan hapetuksessa, korkean lämpötilan aktivaatiossa ja näiden korkean lämpötilan prosessien vaatimassa kovanaamioprosessissa.
Hidas kiteen kasvu: Si-kidetangon kasvunopeus voi olla 30–150 mm/h, ja 1-3 m:n piikidetangon valmistus kestää vain noin 1 päivän; SiC-kidetanko PVT-menetelmällä esimerkkinä, kasvunopeus on noin 0,2-0,4 mm/h, 7 päivää kasvaa alle 3-6 cm, kasvunopeus on alle 1 % piimateriaalista, tuotantokapasiteetti on erittäin suuri rajoitettu.
Korkeat tuoteparametrit ja alhainen saanto: SiC-substraatin ydinparametreja ovat mikrotubulusten tiheys, dislokaatiotiheys, resistiivisyys, vääntyminen, pinnan karheus jne. Se on monimutkainen järjestelmätekniikka järjestää atomeja suljettuun korkean lämpötilan kammioon ja täydellinen kiteen kasvu, samalla kun ohjataan parametrin indeksejä.
Materiaalilla on korkea kovuus, korkea hauraus, pitkä leikkausaika ja korkea kuluminen: SiC Mohs -kovuus 9,25 on timantin jälkeen toinen, mikä lisää merkittävästi leikkaamisen, hionnan ja kiillotuksen vaikeutta ja kestää noin 120 tuntia. leikkaa 35-40 palaa 3 cm paksusta harkosta. Lisäksi piikarbidin korkean haurauden vuoksi kiekkojen käsittelyn kuluminen on enemmän, ja tuotantosuhde on vain noin 60%.
Kehitystrendi: Koon kasvu + hinnan lasku
Globaalien piikarbidimarkkinoiden 6 tuuman volyymituotantolinja on kypsymässä, ja johtavat yritykset ovat tulleet 8 tuuman markkinoille. Kotimaiset kehitysprojektit ovat pääosin 6 tuumaa. Tällä hetkellä, vaikka useimmat kotimaiset yritykset perustuvat edelleen 4 tuuman tuotantolinjoihin, mutta teollisuus on vähitellen laajentumassa 6 tuuman 6 tuuman tukilaitteiden teknologian kypsymisen myötä, kotimainen piikarbidisubstraattitekniikka parantaa myös vähitellen talouksia. suurten tuotantolinjojen mittakaava heijastuu, ja nykyinen kotimainen 6 tuuman massatuotannon aikaero on kaventunut 7 vuoteen. Suurempi kiekkokoko voi lisätä yksittäisten sirujen määrää, parantaa tuottoprosenttia ja vähentää reunalastujen osuutta, ja tutkimus- ja kehityskustannukset sekä tuottohäviö säilyvät noin 7 prosentissa, mikä parantaa kiekkojen määrää. käyttö.
Laitteiden suunnittelussa on edelleen monia vaikeuksia
SiC-diodin kaupallistamista parannetaan asteittain, tällä hetkellä useat kotimaiset valmistajat ovat suunnitelleet SiC SBD -tuotteita, keski- ja korkeajännitteisillä SiC SBD -tuotteilla on hyvä vakaus, ajoneuvon OBC:ssä, SiC SBD+SI IGBT:n käyttö vakaan saavuttamiseksi virrantiheys. Tällä hetkellä Kiinassa ei ole esteitä SiC SBD -tuotteiden patenttisuunnittelussa, ja ero ulkomaihin on pieni.
SiC MOS:ssa on edelleen monia vaikeuksia, SiC MOS:n ja ulkomaisten valmistajien välillä on edelleen kuilu, ja asiaankuuluvaa valmistusalustaa on vielä rakenteilla. Tällä hetkellä ST, Infineon, Rohm ja muut 600-1700 V SiC MOS:t ovat saavuttaneet massatuotannon ja allekirjoittaneet ja toimittaneet monien valmistavien teollisuudenalojen kanssa, kun taas nykyinen kotimainen SiC MOS -suunnittelu on pääosin valmis, useat suunnitteluvalmistajat työskentelevät tehtaiden kanssa kiekon virtausvaiheessa ja myöhemmin asiakasvarmistus vaatii vielä jonkin aikaa, joten laajamittaiseen kaupallistamiseen on vielä pitkä aika.
Tällä hetkellä tasorakenne on valtavirran valinta, ja kaivannon tyyppiä käytetään laajasti korkeapainekentällä tulevaisuudessa. Tasorakenne SiC MOS-valmistajia on monia, tasomaisella rakenteella ei ole helppo tuottaa paikallisia murtumisongelmia uraan verrattuna, mikä vaikuttaa työn vakauteen, markkinoilla alle 1200V:lla on laaja sovellusarvo ja tasorakenne on suhteellisen yksinkertainen valmistus lopussa, vastaamaan valmistettavuuden ja kustannusten hallinnan kaksi näkökohtaa. Uralaitteen etuna on erittäin alhainen loisinduktanssi, nopea kytkentänopeus, pieni häviö ja suhteellisen korkea suorituskyky.
2--SiC kiekkouutisia
Piikarbidin markkinoiden tuotannon ja myynnin kasvu, kiinnitä huomiota kysynnän ja tarjonnan väliseen rakenteelliseen epätasapainoon
Korkeataajuisen ja suuritehoisen tehoelektroniikan kysynnän nopean kasvun myötä piipohjaisten puolijohdelaitteiden fyysinen raja pullonkaula on vähitellen noussut näkyväksi, ja piikarbidin (SiC) edustamat kolmannen sukupolven puolijohdemateriaalit ovat vähitellen nousseet esiin. teollistua. Materiaalin suorituskyvyn kannalta piikarbidilla on 3 kertaa piimateriaalin kaistan leveys, 10 kertaa kriittinen läpilyöntisähkökentän voimakkuus, 3 kertaa lämmönjohtavuus, joten piikarbidin teholaitteet soveltuvat korkeataajuiseen, korkeaan paineeseen, korkea lämpötila ja muut sovellukset auttavat parantamaan tehoelektroniikkajärjestelmien tehokkuutta ja tehotiheyttä.
Tällä hetkellä SiC-diodit ja SiC MOSFETit ovat vähitellen siirtyneet markkinoille, ja on olemassa kypsempiä tuotteita, joiden joukossa SiC-diodeja käytetään laajalti piipohjaisten diodien sijasta joillakin aloilla, koska niillä ei ole käänteisen palautusvarauksen etua; SiC MOSFETiä käytetään myös vähitellen autoteollisuudessa, energian varastoinnissa, latauspaalussa, aurinkosähkössä ja muilla aloilla; Autoteollisuuden sovellusten alalla modularisointitrendi on tulossa yhä näkyvämmäksi, ja piikarbidin ylivoimaisen suorituskyvyn on perustuttava kehittyneisiin pakkausprosesseihin, jotta saavutetaan teknisesti suhteellisen kypsä vaipan sulkeminen valtavirtana, tulevaisuus tai muovitiivistyskehitys. , sen mukautetut kehitysominaisuudet sopivat paremmin SiC-moduuleille.
Piikarbidin hinnan laskun nopeus tai mielikuvituksen ulkopuolella
Piikarbidilaitteiden käyttöä rajoittavat pääasiassa korkeat kustannukset, samalla tasolla olevan SiC MOSFETin hinta on 4 kertaa korkeampi kuin Si-pohjaisen IGBT:n, tämä johtuu siitä, että piikarbidin prosessi on monimutkainen, jossa yksikiteinen ja epitaksiaalinen ei ole vain ankaraa ympäristölle, vaan myös kasvunopeus on hidas, ja yksikidekäsittelyn substraatiksi on käytävä läpi leikkaus- ja kiillotusprosessi. Omien materiaaliominaisuuksiensa ja epäkypsän prosessointiteknologiansa perusteella kotimaisen substraatin saanto on alle 50%, ja useat tekijät johtavat korkeisiin substraatti- ja epitaksiaalisiin hintoihin.
Piikarbidilaitteiden ja piipohjaisten laitteiden kustannuskoostumus on kuitenkin täysin päinvastainen, etukanavan substraatti- ja epitaksikustannukset muodostavat 47 % ja 23 % koko laitteesta, yhteensä noin 70 %, laitteen suunnittelu, valmistus. ja takakanavan tiivistyslinkkien osuus on vain 30 %, piipohjaisten laitteiden tuotantokustannukset keskittyvät pääosin takakanavan kiekkojen valmistukseen noin 50 % ja substraattikustannusten osuus on vain 7 %. Ilmiö arvo piikarbidi teollisuuden ketju ylösalaisin tarkoittaa, että alkupään substraattien epitaksivalmistajilla on ydinoikeus puhua, mikä on avain kotimaisten ja ulkomaisten yritysten ulkoasuun.
Markkinoiden dynaamisesta näkökulmasta piikarbidin kustannusten alentaminen piikarbidin pitkän kide- ja viipalointiprosessin parantamisen lisäksi on laajentaa kiekon kokoa, mikä on myös puolijohteiden kehityksen kypsä polku aiemmin, Wolfspeed-tiedot osoittavat, että piikarbidin alustan päivittäminen 6 tuumasta 8 tuumaan, pätevän sirun tuotanto voi kasvaa 80–90%, ja auttaa parantamaan tuottoa. Voi vähentää yhdistettyjä yksikkökustannuksia 50%.
2023 tunnetaan nimellä "8 tuuman piikarbidin ensimmäinen vuosi", tänä vuonna kotimaiset ja ulkomaiset piikarbidin valmistajat nopeuttavat 8 tuuman piikarbidin ulkoasua, kuten Wolfspeedin hullu 14,55 miljardin dollarin investointi piikarbidin tuotannon laajentamiseen, jonka tärkeä osa on 8 tuuman piikarbidialustan valmistuslaitoksen rakentaminen. Taataan 200 mm:n piikarbidin paljaan metallin toimitus useille yrityksille tulevaisuudessa; Kotimainen Tianyue Advanced ja Tianke Heda ovat myös allekirjoittaneet pitkäaikaiset sopimukset Infineonin kanssa 8 tuuman piikarbidialustojen toimittamisesta tulevaisuudessa.
Tästä vuodesta alkaen piikarbidi kiihtyy 6 tuumasta 8 tuumaan, Wolfspeed odottaa, että vuoteen 2024 mennessä 8 tuuman substraatin yksikkösirun hinta verrattuna 6 tuuman substraatin yksikkösirun hintaan vuonna 2022 laskee yli 60 %. , ja kustannusten lasku avaa sovellusmarkkinoita entisestään, Ji Bond Consultingin tutkimusdata huomautti. 8 tuuman tuotteiden nykyinen markkinaosuus on alle 2 % ja markkinaosuuden odotetaan kasvavan noin 15 prosenttiin vuoteen 2026 mennessä.
Itse asiassa piikarbidisubstraatin hinnan lasku voi ylittää monien mielikuvituksen, 6 tuuman alustan nykyinen markkinatarjonta on 4000-5000 yuania/kpl, verrattuna vuoden alkuun on laskenut paljon, on odotetaan laskevan alle 4000 yuania ensi vuonna, on syytä huomata, että jotkut valmistajat saadakseen ensimmäiset markkinat ovat alentaneet myyntihintaa alla olevaan kustannuslinjaan, avasivat hintasodan mallin, keskittyen pääasiassa piikarbidisubstraattiin tarjonta on ollut suhteellisen riittävä pienjännitealalla, kotimaiset ja ulkomaiset valmistajat laajentavat aggressiivisesti tuotantokapasiteettia tai antavat piikarbidisubstraatin ylitarjontavaiheen kuviteltua aikaisemmin.
Postitusaika: 19.1.2024