Sissejuhatus ränikarbiidi
Ränikarbiid (SiC) on süsinikust ja ränist koosnev liitpooljuhtmaterjal, mis on üks ideaalseid materjale kõrge temperatuuri, kõrgsagedusliku, suure võimsusega ja kõrgepingeseadmete valmistamiseks.Võrreldes traditsioonilise ränimaterjaliga (Si) on ränikarbiidi ribalaius 3 korda suurem kui räni oma.Soojusjuhtivus on 4-5 korda suurem kui ränil;Läbilöögipinge on 8-10 korda suurem kui ränil;Elektroonilise küllastuse triivi määr on 2-3 korda suurem kui ränil, mis vastab kaasaegse tööstuse vajadustele suure võimsuse, kõrge pinge ja kõrge sageduse järele.Seda kasutatakse peamiselt kiirete, kõrgsageduslike, suure võimsusega ja valgust kiirgavate elektroonikakomponentide tootmiseks.Järgmised rakendusvaldkonnad hõlmavad nutikat võrku, uusi energiasõidukeid, fotogalvaanilist tuuleenergiat, 5G sidet jne. Ränikarbiiddioode ja MOSFET-e on kasutatud kaubanduslikult.
Kõrge temperatuuritaluvus.Ränikarbiidi ribalaius on 2–3 korda suurem kui räni oma, elektronid ei ole kõrgel temperatuuril kergesti ülekantavad ja taluvad kõrgemaid töötemperatuure ning ränikarbiidi soojusjuhtivus on 4–5 korda suurem kui räni oma, muutes seadme soojuse hajumise lihtsamaks ja tööpiirtemperatuuri kõrgemaks.Kõrge temperatuuritaluvus võib märkimisväärselt suurendada võimsustihedust, vähendades samal ajal jahutussüsteemi nõudeid, muutes terminali kergemaks ja väiksemaks.
Talub kõrget survet.Ränikarbiidi läbilöögi elektrivälja tugevus on 10 korda suurem kui ränil, mis talub kõrgemaid pingeid ja sobib paremini kõrgepingeseadmetele.
Kõrgsageduslik takistus.Ränikarbiidi küllastunud elektronide triivimise kiirus on kaks korda suurem kui ränil, mille tulemuseks on seiskamisprotsessi ajal voolu katkemise puudumine, mis võib tõhusalt parandada seadme lülitussagedust ja teostada seadme miniaturiseerimist.
Madal energiakadu.Võrreldes ränimaterjaliga on ränikarbiidil väga madal sisselülitumistakistus ja madal kadu.Samal ajal vähendab ränikarbiidi suur ribalaius oluliselt lekkevoolu ja võimsuskadu.Lisaks ei esine ränikarbiidi seadmel väljalülitusprotsessi ajal voolukatkestusi ja lülituskadu on väike.
Ränikarbiidi tööstuskett
See hõlmab peamiselt substraati, epitaksit, seadme disaini, tootmist, tihendamist ja nii edasi.Ränikarbiid materjalist pooljuhtide jõuseadmesse kogeb monokristallide kasvu, valuplokkide lõikamist, epitaksiaalset kasvu, vahvlite kujundamist, tootmist, pakkimist ja muid protsesse.Pärast ränikarbiidi pulbri sünteesi valmistatakse kõigepealt ränikarbiidi valuplokk ja seejärel ränikarbiidi substraat saadakse viilutamise, lihvimise ja poleerimise teel ning epitaksiaalne leht saadakse epitaksiaalse kasvu teel.Epitaksiaalvahv on valmistatud ränikarbiidist läbi litograafia, söövitamise, ioonide implanteerimise, metalli passiveerimise ja muude protsesside, vahvel lõigatakse matriitsiks, seade pakitakse ning seade kombineeritakse spetsiaalseks kestaks ja monteeritakse mooduliks.
Tööstusahelast ülesvoolu 1: substraat – kristallide kasv on protsessi põhilüli
Ränikarbiidist substraat moodustab umbes 47% ränikarbiidist seadmete maksumusest, kõrgeimad tootmistehnilised tõkked, suurim väärtus, on ränikarbiidi tulevase suuremahulise industrialiseerimise tuum.
Elektrokeemiliste omaduste erinevuste vaatenurgast võib ränikarbiidist substraatmaterjalid jagada juhtivateks aluspindadeks (takistuse piirkond 15–30 mΩ·cm) ja poolisolatsiooniga aluspindadeks (takistus suurem kui 105Ω·cm).Neid kahte tüüpi substraate kasutatakse diskreetsete seadmete, näiteks toiteseadmete ja raadiosagedusseadmete tootmiseks pärast epitaksiaalset kasvu.Nende hulgas kasutatakse poolisoleeritud ränikarbiidi substraati peamiselt galliumnitriidi RF-seadmete, fotoelektriliste seadmete jms valmistamisel.Gan epitaksiaalse kihi kasvatamisega poolisoleeritud SIC-substraadil valmistatakse ette sic-epitaksiaalplaat, mida saab edasi valmistada HEMT gan iso-nitride RF seadmeteks.Juhtivat ränikarbiidi substraati kasutatakse peamiselt jõuseadmete valmistamisel.Erinevalt traditsioonilisest ränijõuseadme tootmisprotsessist ei saa ränikarbiidi toiteseadet otse ränikarbiidi substraadile valmistada, ränikarbiidi epitaksiaalkihti tuleb kasvatada juhtival substraadil, et saada ränikarbiidi epitaksiaalleht ja epitaksiaalkiht. kiht on valmistatud Schottky dioodil, MOSFETil, IGBT-l ja muudel toiteseadmetel.
Ränikarbiidi pulber sünteesiti kõrge puhtusastmega süsinikupulbrist ja kõrge puhtusastmega ränipulbrist ning erineva suurusega ränikarbiidi valuplokki kasvatati spetsiaalse temperatuurivälja all ja seejärel valmistati ränikarbiidi substraat mitme töötlemisprotsessi kaudu.Põhiprotsess sisaldab:
Tooraine süntees: kõrge puhtusastmega ränipulber + tooner segatakse vastavalt valemile ja reaktsioon viiakse läbi reaktsioonikambris kõrgel temperatuuril üle 2000 ° C, et sünteesida ränikarbiidi osakesi konkreetse kristallitüübi ja osakestega. suurus.Seejärel läbi purustamise, sõelumise, puhastamise ja muude protsesside, et täita kõrge puhtusastmega ränikarbiidi pulbri tooraine nõudeid.
Kristallide kasv on ränikarbiidi substraadi valmistamise põhiprotsess, mis määrab ränikarbiidi substraadi elektrilised omadused.Praegu on kristallide kasvatamise peamised meetodid füüsikaline auruülekanne (PVT), kõrgtemperatuuriline keemiline aurustamine-sadestamine (HT-CVD) ja vedelfaasi epitakseerimine (LPE).Nende hulgas on PVT-meetod praegu SiC substraadi kaubanduslikuks kasvatamiseks peamine meetod, mis on kõrgeima tehnilise küpsusastmega ja kõige laialdasemalt kasutatav inseneritöös.
SiC substraadi valmistamine on keeruline, mis toob kaasa selle kõrge hinna
Temperatuurivälja reguleerimine on keeruline: Si kristalli varda kasvatamiseks on vaja ainult 1500 ℃, samas kui SiC kristalli varda tuleb kasvatada kõrgel temperatuuril üle 2000 ℃ ja seal on rohkem kui 250 SiC isomeeri, kuid peamine 4H-SiC monokristallstruktuur jõuseadmete tootmine, kui mitte täpne juhtimine, saab muid kristallstruktuure.Lisaks määrab tiiglis olev temperatuurigradient SiC sublimatsiooni ülekande kiiruse ning gaasiliste aatomite paigutuse ja kasvurežiimi kristalli liidesel, mis mõjutab kristallide kasvukiirust ja kristallide kvaliteeti, mistõttu on vaja moodustada süstemaatiline temperatuuriväli. juhtimistehnoloogia.Võrreldes Si materjalidega, on SiC tootmise erinevus ka kõrge temperatuuriga protsessides, nagu kõrge temperatuuriga ioonide implanteerimine, kõrgel temperatuuril oksüdatsioon, kõrgel temperatuuril aktiveerimine ja kõva maski protsess, mida need kõrge temperatuuriga protsessid nõuavad.
Aeglane kristallide kasv: Si-kristallvarda kasvukiirus võib ulatuda 30–150 mm / h ja 1-3 m ränikristallvarda tootmine võtab aega vaid umbes 1 päeva;SiC kristallvarras PVT meetodiga näitena, kasvukiirus on umbes 0,2–0,4 mm/h, 7 päeva, et kasvada alla 3–6 cm, kasvukiirus on alla 1% ränimaterjalist, tootmisvõimsus on äärmiselt suur piiratud.
Kõrged tooteparameetrid ja madal saagis: SiC substraadi põhiparameetrid hõlmavad mikrotuubulite tihedust, dislokatsiooni tihedust, takistust, kõverust, pinna karedust jne. See on keerukas süsteemitehnoloogia, mille eesmärk on paigutada aatomid suletud kõrge temperatuuriga kambrisse ja viia lõpule kristallide kasv. parameetrite indekseid kontrollides.
Materjalil on kõrge kõvadus, kõrge rabedus, pikk lõikeaeg ja suur kulumine: SiC Mohsi kõvadus 9,25 on teemandi järel teisel kohal, mis suurendab oluliselt lõikamise, lihvimise ja poleerimise raskusi ning kulub umbes 120 tundi. lõigake 3 cm paksusest valuplokist 35-40 tükki.Lisaks on ränikarbiidi suure rabeduse tõttu vahvlite töötlemise kulumine suurem ja väljundsuhe on vaid umbes 60%.
Arengutrend: Suuruse kasv + hinnalangus
Ülemaailmse ränikarbiidi turu 6-tollise mahuga tootmisliin on küpsemas ja juhtivad ettevõtted on sisenenud 8-tollisele turule.Kodused arendusprojektid on peamiselt 6 tolli.Kuigi praegu põhinevad enamik kodumaiseid ettevõtteid endiselt 4-tollistel tootmisliinidel, kuid tööstus laieneb järk-järgult 6-tollistele tootmisliinidele ja 6-tolliste tugiseadmete tehnoloogia valmimisega, parandab kodumaine ränikarbiidi põhitehnoloogia järk-järgult ka kajastub suurte tootmisliinide ulatus ja praegune kodumaise 6-tollise masstootmise ajavahe on vähenenud 7 aastani.Suurem vahvli suurus võib kaasa tuua üksikute laastude arvu suurenemise, tootlikkuse suurenemise ja servalaastude osakaalu vähenemise ning uurimis- ja arendustegevuse kulud ning saagikuse kadu jäävad umbes 7% tasemele, parandades seeläbi vahvli kvaliteeti. kasutamine.
Seadmete kujundamisel on endiselt palju raskusi
SiC dioodi turustamine on järk-järgult paranenud, praegu on mitmed kodumaised tootjad kavandanud SiC SBD tooteid, kesk- ja kõrgepinge SiC SBD tooted on hea stabiilsusega, sõidukis OBC, SiC SBD + SI IGBT kasutamine stabiilse saavutamiseks voolutihedus.Praegu ei ole Hiinas SiC SBD toodete patendikujunduses takistusi ja vahe välisriikidega on väike.
SiC MOS-il on endiselt palju raskusi, SiC MOS-i ja välismaiste tootjate vahel on endiselt lõhe ning asjakohane tootmisplatvorm on alles väljatöötamisel.Praegu on ST, Infineon, Rohm ja teised 600–1700 V SiC MOS-id saavutanud masstootmise ning allkirjastanud ja tarnitud paljude tootmisharudega, samas kui praegune kodumaine SiC MOS-i disain on põhimõtteliselt valmis, mitmed disainitootjad töötavad fabidega vahvlivoolu staadiumis ja hilisem kliendi kontrollimine vajab veel veidi aega, nii et suuremahulise turustamiseni on veel palju aega.
Praegu on tasapinnaline struktuur peamine valik ja kaevikutüüpi kasutatakse tulevikus laialdaselt kõrgsurveväljas.Tasapinnalise struktuuriga SiC MOS-i tootjaid on palju, tasapinnalise struktuuri puhul pole soonega võrreldes lihtne tekitada kohalikke rikkeprobleeme, mis mõjutavad töö stabiilsust, alla 1200 V turul on lai kasutusväärtus ja tasapinnaline struktuur on suhteliselt Lihtne tootmise lõpuks täita valmistatavuse ja kulude kontrolli kaks aspekti.Sooneseadme eelisteks on äärmiselt madal parasiitne induktiivsus, kiire lülituskiirus, väike kadu ja suhteliselt kõrge jõudlus.
2--SiC vahvlite uudised
Ränikarbiidi turu tootmine ja müügi kasv, pöörake tähelepanu pakkumise ja nõudluse vahelisele struktuursele tasakaalustamatusele
Seoses turu nõudluse kiire kasvuga kõrgsagedusliku ja suure võimsusega jõuelektroonika järele on järk-järgult esile kerkinud ränipõhiste pooljuhtseadmete füüsiline piirang ning ränikarbiidi (SiC) esindatud kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalid. muutuda tööstuslikuks.Materjali jõudluse seisukohast on ränikarbiidi ribalaius 3 korda suurem kui ränimaterjalist, 10 korda suurem elektrivälja tugevuse kriitiline läbimurre, 3 korda suurem soojusjuhtivus, nii et ränikarbiidi jõuseadmed sobivad kõrgsageduslikuks, kõrgsurveks, kõrge temperatuur ja muud rakendused aitavad parandada jõuelektroonikasüsteemide tõhusust ja võimsustihedust.
Praeguseks on järk-järgult turule kolinud SiC dioodid ja SiC MOSFETid ning küpsemaid tooteid on, mille hulgas on mõnes valdkonnas ränipõhiste dioodide asemel laialdaselt kasutusel SiC dioodid, kuna neil puudub pöördtagastuslaengu eelis;SiC MOSFETi kasutatakse järk-järgult ka autotööstuses, energiasalvestuses, laadimisvaiades, fotogalvaanilises ja muudes valdkondades;Autotööstuse rakenduste valdkonnas on modulariseerimise suund muutumas üha silmapaistvamaks, ränikarbiidi parem jõudlus peab toetuma täiustatud pakkimisprotsessidele, et saavutada tehniliselt suhteliselt küps kesta tihendamine kui peavool, tulevik või plastist tihendite arendamine. , selle kohandatud arendusomadused sobivad paremini SiC moodulitele.
Ränikarbiidi hinnalanguse kiirus või üle kujutlusvõime
Ränikarbiidi seadmete kasutamist piirab peamiselt kõrge hind, samal tasemel oleva SiC MOSFETi hind on 4 korda kõrgem kui Si-põhise IGBT oma, kuna ränikarbiidi protsess on keeruline, mille käigus monokristall ja epitaksiaal ei ole mitte ainult karmid keskkonnale, vaid ka kasvukiirus on aeglane ning monokristallide töötlemine substraadiks peab läbima lõikamis- ja poleerimisprotsessi.Oma materjaliomaduste ja ebaküpse töötlemistehnoloogia põhjal on kodumaise substraadi saagis alla 50% ja mitmesugused tegurid põhjustavad kõrgeid substraadi ja epitaksiaalseid hindu.
Ränikarbiidseadmete ja ränipõhiste seadmete kulukoostis on aga diametraalselt vastupidine, esikanali substraadi ja epitaksiaalkulud moodustavad vastavalt 47% ja 23% kogu seadmest, kokku umbes 70%, seadme disain, tootmine. ja tagakanali tihenduslülid moodustavad vaid 30%, ränipõhiste seadmete tootmiskulud on põhiliselt koondunud tagumise kanali vahvlite valmistamisele umbes 50% ja substraadi maksumus moodustab vaid 7%.Ränikarbiiditööstuse ahela tagurpidi väärtuse fenomen tähendab, et ülesvoolu substraadi epitaksikatootjatel on põhiõigus sõna võtta, mis on kodumaiste ja välismaiste ettevõtete paigutuse võti.
Turu dünaamilisest vaatenurgast vaadatuna on ränikarbiidi kulude vähendamine lisaks ränikarbiidi pika kristalli ja viilutamise protsessi parandamisele ka vahvli suuruse laiendamine, mis on ka varem pooljuhtide arendamise küps tee, Wolfspeedi andmed näitavad, et ränikarbiidi substraadi uuendamine 6 tollilt 8 tollile, kvalifitseeritud kiibi tootmine võib suureneda 80–90% ja aitab parandada saagist.Võib vähendada kombineeritud ühiku maksumust 50%.
2023. aastat tuntakse "8-tollise ränikarbiidi esimese aastana", sel aastal kiirendavad kodumaised ja välismaised ränikarbiidi tootjad 8-tollise ränikarbiidi paigutust, näiteks Wolfspeed investeeris ränikarbiidi tootmise laiendamiseks 14,55 miljardit USA dollarit, mille oluliseks osaks on 8-tollise SiC substraadi tootmistehase ehitamine, Tagamaks 200 mm SiC paljasmetalli tarnimist paljudele ettevõtetele;Kodumaised Tianyue Advanced ja Tianke Heda on samuti sõlminud Infineoniga pikaajalised lepingud 8-tolliste ränikarbiidsubstraatide tarnimiseks tulevikus.
Alates sellest aastast kiirendab ränikarbiid 6 tollilt 8 tollile, Wolfspeed loodab, et 2024. aastaks väheneb 8-tollise substraadi ühikuhind võrreldes 2022. aasta 6-tollise substraadi ühikuhinnaga rohkem kui 60%. , ja kulude langus avab rakenduste turu veelgi, osutasid Ji Bond Consultingi uuringuandmed.8-tolliste toodete praegune turuosa on alla 2% ning 2026. aastaks peaks turuosa kasvama umbes 15%-ni.
Tegelikult võib ränikarbiidsubstraadi hinna languse kiirus ületada paljude inimeste kujutlusvõimet, praegune 6-tollise substraadi turupakkumine on 4000-5000 jüaani/tk, võrreldes aasta algusega on palju langenud, on Eeldatavasti langeb järgmisel aastal alla 4000 jüaani, väärib märkimist, et mõned tootjad on esimese turu saamiseks vähendanud müügihinda allpool olevale kulureale, avasid hinnasõja mudeli, mis keskendus peamiselt ränikarbiidi substraadile. Madalpinge valdkonnas on pakkumine olnud suhteliselt piisav, kodumaised ja välismaised tootjad suurendavad agressiivselt tootmisvõimsust või lasevad ränikarbiidist substraadil ülepakkumise staadiumis arvata varem.
Postitusaeg: 19. jaanuar 2024