Introdución ao carburo de silicio
O carburo de silicio (SiC) é un material semicondutor composto composto por carbono e silicio, que é un dos materiais ideais para fabricar dispositivos de alta temperatura, alta frecuencia, alta potencia e alta tensión.En comparación co material de silicio tradicional (Si), a separación da banda do carburo de silicio é 3 veces a do silicio.A condutividade térmica é 4-5 veces a do silicio;A tensión de avaría é de 8-10 veces a do silicio;A taxa de deriva de saturación electrónica é 2-3 veces a do silicio, o que satisface as necesidades da industria moderna de alta potencia, alta tensión e alta frecuencia.Úsase principalmente para a produción de compoñentes electrónicos de alta velocidade, alta frecuencia, alta potencia e emisores de luz.Os campos de aplicación posteriores inclúen redes intelixentes, vehículos de nova enerxía, enerxía eólica fotovoltaica, comunicación 5G, etc. Aplicáronse comercialmente díodos de carburo de silicio e MOSFET.
Resistencia a altas temperaturas.O ancho de banda do carburo de silicio é 2-3 veces superior ao do silicio, os electróns non son fáciles de pasar a altas temperaturas e poden soportar temperaturas de funcionamento máis altas e a condutividade térmica do carburo de silicio é de 4-5 veces a do silicio. facilitando a disipación de calor do dispositivo e aumentando a temperatura límite de funcionamento.A resistencia a altas temperaturas pode aumentar significativamente a densidade de enerxía mentres reduce os requisitos do sistema de refrixeración, facendo que o terminal sexa máis lixeiro e pequeno.
Resistir alta presión.A intensidade do campo eléctrico de ruptura do carburo de silicio é 10 veces superior á do silicio, que pode soportar tensións máis altas e é máis axeitado para dispositivos de alta tensión.
Resistencia de alta frecuencia.O carburo de silicio ten unha taxa de deriva de electróns saturada o dobre que o do silicio, o que resulta na ausencia de cola de corrente durante o proceso de apagado, o que pode mellorar efectivamente a frecuencia de conmutación do dispositivo e realizar a miniaturización do dispositivo.
Baixa perda de enerxía.En comparación co material de silicio, o carburo de silicio ten unha resistencia moi baixa e unha baixa perda.Ao mesmo tempo, o alto ancho de banda de carburo de silicio reduce moito a corrente de fuga e a perda de enerxía.Ademais, o dispositivo de carburo de silicio non ten un fenómeno de arrastre actual durante o proceso de apagado e a perda de conmutación é baixa.
Cadena industrial de carburo de silicio
Inclúe principalmente substrato, epitaxia, deseño de dispositivos, fabricación, selado, etc.O carburo de silicio desde o material ata o dispositivo de potencia semicondutor experimentará un crecemento de cristal único, corte de lingotes, crecemento epitaxial, deseño de obleas, fabricación, envasado e outros procesos.Despois da síntese do po de carburo de silicio, primeiro faise o lingote de carburo de silicio e, a continuación, o substrato de carburo de silicio obtense por corte, moenda e pulido, e a folla epitaxial obtense por crecemento epitaxial.A oblea epitaxial está feita de carburo de silicio mediante litografía, gravado, implantación de ións, pasivación de metal e outros procesos, a oblea córtase en troquel, o dispositivo está empaquetado e o dispositivo combínase nunha carcasa especial e montado nun módulo.
Aguas arriba da cadea industrial 1: o substrato - o crecemento do cristal é o eslabón do proceso principal
O substrato de carburo de silicio representa preto do 47% do custo dos dispositivos de carburo de silicio, as barreiras técnicas de fabricación máis altas, o maior valor, é o núcleo da futura industrialización a gran escala de SiC.
Desde a perspectiva das diferenzas de propiedades electroquímicas, os materiais de substrato de carburo de silicio pódense dividir en substratos condutores (rexión de resistividade 15 ~ 30 mΩ·cm) e substratos semi-illados (resistividade superior a 105Ω·cm).Estes dous tipos de substratos utilízanse para fabricar dispositivos discretos como dispositivos de potencia e dispositivos de radiofrecuencia, respectivamente, despois do crecemento epitaxial.Entre eles, o substrato de carburo de silicio semi-illado úsase principalmente na fabricación de dispositivos de RF de nitruro de galio, dispositivos fotoeléctricos, etc.Ao crecer a capa epitaxial gan sobre un substrato SIC semi-illado, prepárase a placa epitaxial sic, que se pode preparar máis en dispositivos de RF de iso-nitruro de gan HEMT.O substrato condutor de carburo de silicio utilízase principalmente na fabricación de dispositivos de potencia.A diferenza do proceso tradicional de fabricación de dispositivos de potencia de silicio, o dispositivo de potencia de carburo de silicio non se pode facer directamente sobre o substrato de carburo de silicio, a capa epitaxial de carburo de silicio debe cultivarse no substrato condutor para obter a folla epitaxial de carburo de silicio e a epitaxial. A capa está fabricada no diodo Schottky, MOSFET, IGBT e outros dispositivos de potencia.
O po de carburo de silicio sintetizouse a partir de po de carbono de alta pureza e po de silicio de alta pureza, e cultivouse de diferentes tamaños de lingotes de carburo de silicio baixo un campo de temperatura especial, e despois produciuse o substrato de carburo de silicio mediante múltiples procesos de procesamento.O proceso básico inclúe:
Síntese de materias primas: o po de silicio de alta pureza + tóner mestúrase segundo a fórmula e a reacción realízase na cámara de reacción baixo unha condición de alta temperatura superior a 2000 ° C para sintetizar as partículas de carburo de silicio cun tipo de cristal e partícula específicos. tamaño.A continuación, a través da trituración, cribado, limpeza e outros procesos, para cumprir os requisitos de materias primas de carburo de silicio de alta pureza.
O crecemento do cristal é o proceso principal da fabricación de substrato de carburo de silicio, que determina as propiedades eléctricas do substrato de carburo de silicio.Na actualidade, os principais métodos para o crecemento de cristais son a transferencia física de vapor (PVT), a deposición química de vapor a alta temperatura (HT-CVD) e a epitaxia en fase líquida (LPE).Entre eles, o método PVT é o método principal para o crecemento comercial do substrato de SiC na actualidade, coa maior madurez técnica e o máis utilizado en enxeñaría.
A preparación do substrato de SiC é difícil, o que leva ao seu alto prezo
O control do campo de temperatura é difícil: o crecemento da varilla de cristal de Si só necesita 1500 ℃, mentres que a varilla de cristal de SiC debe cultivarse a unha temperatura superior a 2000 ℃ e hai máis de 250 isómeros de SiC, pero a principal estrutura de cristal único 4H-SiC para a produción de dispositivos de enerxía, se non control preciso, obterá outras estruturas de cristal.Ademais, o gradiente de temperatura no crisol determina a taxa de transferencia de sublimación de SiC e o modo de disposición e crecemento dos átomos gasosos na interface do cristal, o que afecta á taxa de crecemento do cristal e á calidade do cristal, polo que é necesario formar un campo de temperatura sistemático. tecnoloxía de control.En comparación cos materiais de Si, a diferenza na produción de SiC tamén está nos procesos de alta temperatura, como a implantación de ións a alta temperatura, a oxidación a alta temperatura, a activación a alta temperatura e o proceso de máscara dura requirido por estes procesos de alta temperatura.
Crecemento lento de cristal: a taxa de crecemento da varilla de cristal Si pode alcanzar os 30 ~ 150 mm/h, e a produción de varilla de cristal de silicio de 1-3 m só leva aproximadamente 1 día;Varilla de cristal SiC co método PVT como exemplo, a taxa de crecemento é de aproximadamente 0,2-0,4 mm/h, 7 días para crecer menos de 3-6 cm, a taxa de crecemento é inferior ao 1% do material de silicio, a capacidade de produción é extremadamente limitado.
Altos parámetros do produto e baixo rendemento: os parámetros fundamentais do substrato de SiC inclúen a densidade de microtúbulos, a densidade de luxación, a resistividade, a deformación, a rugosidade da superficie, etc. ao controlar os índices de parámetros.
O material ten alta dureza, alta fraxilidade, tempo de corte longo e alto desgaste: a dureza SiC Mohs de 9,25 é a segunda só despois do diamante, o que leva a un aumento significativo da dificultade de corte, moenda e pulido, e leva aproximadamente 120 horas cortar 35-40 pezas dun lingote de 3 cm de grosor.Ademais, debido á alta fraxilidade do SiC, o desgaste do procesamento de obleas será maior e a relación de saída é só dun 60%.
Tendencia de desenvolvemento: aumento de tamaño + diminución de prezos
A liña de produción de volume de 6 polgadas do mercado global de SiC está madurando e as empresas líderes entraron no mercado de 8 polgadas.Os proxectos de desenvolvemento doméstico son principalmente de 6 polgadas.Na actualidade, aínda que a maioría das empresas nacionais aínda se basean en liñas de produción de 4 polgadas, pero a industria está a expandirse gradualmente a 6 polgadas, coa madurez da tecnoloxía de equipos de apoio de 6 polgadas, a tecnoloxía do substrato SiC doméstica tamén está a mellorar gradualmente as economías de reflectirase a escala das liñas de produción de gran tamaño e a brecha de tempo de produción en masa doméstica actual de 6 polgadas reduciuse a 7 anos.O maior tamaño da oblea pode provocar un aumento no número de chips individuais, mellorar a taxa de rendemento e reducir a proporción de chips de borde, e o custo da investigación e desenvolvemento e a perda de rendemento manterase nun 7%, mellorando así a oblea. utilización.
Aínda hai moitas dificultades no deseño do dispositivo
A comercialización do díodo SiC mellora gradualmente, na actualidade, un número de fabricantes nacionais deseñaron produtos SiC SBD, os produtos SiC SBD de media e alta tensión teñen unha boa estabilidade, no vehículo OBC, o uso de SiC SBD + SI IGBT para lograr unha estabilidade estable. densidade de corrente.Actualmente, non hai barreiras no deseño de patentes de produtos SiC SBD en China, e a diferenza con países estranxeiros é pequena.
SiC MOS aínda ten moitas dificultades, aínda hai unha brecha entre SiC MOS e os fabricantes estranxeiros, e a plataforma de fabricación relevante aínda está en construción.Actualmente, ST, Infineon, Rohm e outros SiC MOS de 600-1700 V lograron unha produción en masa e asinaron e enviáronse con moitas industrias manufactureras, mentres que o deseño do SiC MOS doméstica actual completouse basicamente, varios fabricantes de deseño están a traballar con fábricas en a fase de fluxo de obleas e a posterior verificación do cliente aínda necesita algún tempo, polo que aínda queda moito tempo para a comercialización a gran escala.
Na actualidade, a estrutura plana é a opción principal e o tipo de trincheira úsase amplamente no campo de alta presión no futuro.Estrutura plana SiC MOS fabricantes son moitos, a estrutura plana non é fácil de producir problemas de avaría local en comparación coa ranura, afectando a estabilidade do traballo, no mercado por debaixo de 1200 V ten unha ampla gama de valor de aplicación, e a estrutura plana é relativamente simple no extremo de fabricación, para satisfacer a fabricabilidade e control de custos dous aspectos.O dispositivo de ranura ten as vantaxes dunha inductancia parasitaria extremadamente baixa, velocidade de conmutación rápida, baixa perda e rendemento relativamente alto.
2--Novidades de obleas SiC
Produción de mercado de carburo de silicio e crecemento das vendas, preste atención ao desequilibrio estrutural entre a oferta e a demanda
Co rápido crecemento da demanda do mercado de electrónica de alta frecuencia e potencia, o límite físico dos dispositivos semicondutores baseados en silicio fíxose progresivamente prominente e os materiais semicondutores de terceira xeración representados polo carburo de silicio (SiC) foron gradualmente. industrializarse.Desde o punto de vista do rendemento do material, o carburo de silicio ten 3 veces o ancho de banda do material de silicio, 10 veces a intensidade do campo eléctrico de ruptura crítica, 3 veces a condutividade térmica, polo que os dispositivos de potencia de carburo de silicio son axeitados para alta frecuencia e alta presión, alta temperatura e outras aplicacións, axudan a mellorar a eficiencia e a densidade de potencia dos sistemas electrónicos de potencia.
Na actualidade, os díodos de SiC e os MOSFET de SiC foron pasando gradualmente ao mercado, e hai produtos máis maduros, entre os que nalgúns campos os díodos de SiC son amplamente utilizados en lugar dos díodos a base de silicio porque non teñen a vantaxe da carga de recuperación inversa;SiC MOSFET tamén se usa gradualmente en automoción, almacenamento de enerxía, pila de carga, fotovoltaica e outros campos;No campo das aplicacións automotrices, a tendencia da modularización é cada vez máis destacada, o rendemento superior do SiC debe confiar en procesos de envasado avanzados para conseguir, tecnicamente, cun selado de casca relativamente maduro como corrente principal, o futuro ou o desenvolvemento de selado de plástico. , as súas características de desenvolvemento personalizado son máis adecuadas para módulos SiC.
Velocidade de descenso do prezo do carburo de silicio ou máis alá da imaxinación
A aplicación de dispositivos de carburo de silicio está limitada principalmente polo alto custo, o prezo do MOSFET SiC baixo o mesmo nivel é 4 veces maior que o do IGBT baseado en Si, isto débese a que o proceso de carburo de silicio é complexo, no que o crecemento de O cristal único e o epitaxial non só son duros para o medio ambiente, senón que tamén a taxa de crecemento é lenta e o procesamento de cristal único no substrato debe pasar polo proceso de corte e pulido.Con base nas súas propias características do material e na tecnoloxía de procesamento inmadura, o rendemento do substrato doméstico é inferior ao 50% e varios factores levan a prezos elevados de substrato e epitaxia.
Non obstante, a composición de custos dos dispositivos de carburo de silicio e dos dispositivos baseados en silicio é diametralmente oposta, o substrato e os custos epitaxiais da canle frontal representan o 47% e o 23% de todo o dispositivo respectivamente, con un total de preto de 70%, o deseño do dispositivo e a fabricación. e os enlaces de selado da canle traseira representan só o 30%, o custo de produción dos dispositivos baseados en silicio concéntrase principalmente na fabricación de obleas da canle traseira preto do 50% e o custo do substrato só representa o 7%.O fenómeno do valor da cadea da industria de carburo de silicio ao revés significa que os fabricantes de epitaxia de substrato ascendentes teñen o dereito fundamental a falar, que é a clave para o deseño das empresas nacionais e estranxeiras.
Desde o punto de vista dinámico do mercado, a redución do custo do carburo de silicio, ademais de mellorar o proceso de corte e cristal longo de carburo de silicio, é ampliar o tamaño da oblea, que tamén é o camiño maduro do desenvolvemento de semicondutores no pasado, Os datos de Wolfspeed mostran que a actualización do substrato de carburo de silicio de 6 polgadas a 8 polgadas, a produción de chip cualificado pode aumentar nun 80% -90% e axudar a mellorar o rendemento.Pode reducir o custo unitario combinado nun 50%.
2023 é coñecido como o "primeiro ano SiC de 8 polgadas", este ano, os fabricantes de carburo de silicio nacionais e estranxeiros están acelerando o deseño de carburo de silicio de 8 polgadas, como o investimento tolo de Wolfspeed de 14,55 millóns de dólares para a expansión da produción de carburo de silicio, unha parte importante do cal é a construción dunha planta de fabricación de substrato de SiC de 8 polgadas, Para garantir a futura subministración de metal nu SiC de 200 mm a varias empresas;Domestic Tianyue Advanced e Tianke Heda tamén asinaron acordos a longo prazo con Infineon para subministrar substratos de carburo de silicio de 8 polgadas no futuro.
A partir deste ano, o carburo de silicio acelerará de 6 polgadas a 8 polgadas, Wolfspeed espera que para 2024, o custo unitario do chip de substrato de 8 polgadas en comparación co custo unitario do chip de substrato de 6 polgadas en 2022 se reduza en máis dun 60% , e o descenso dos custos abrirá aínda máis o mercado de aplicacións, sinalaron os datos de investigación de Ji Bond Consulting.A cota de mercado actual dos produtos de 8 polgadas é inferior ao 2% e espérase que a cota de mercado aumente ata o 15% en 2026.
De feito, a taxa de descenso do prezo do substrato de carburo de silicio pode superar a imaxinación de moitas persoas, a oferta actual do mercado de substrato de 6 polgadas é de 4000-5000 yuan/peza, en comparación co inicio do ano caeu moito, é Espérase que caia por debaixo dos 4000 yuans o próximo ano, paga a pena notar que algúns fabricantes, para conseguir o primeiro mercado, reduciron o prezo de venda á liña de custos de abaixo, abriu o modelo da guerra de prezos, concentrado principalmente no substrato de carburo de silicio. abastecemento foi relativamente suficiente no campo de baixa tensión, os fabricantes nacionais e estranxeiros están ampliando agresivamente a capacidade de produción, ou deixar o substrato de carburo de silicio etapa de exceso de oferta antes do imaxinado.
Hora de publicación: 19-xan-2024