مقدمة عن كربيد السيليكون
كربيد السيليكون (SiC) مادة شبه موصلة مركبة تتكون من الكربون والسيليكون، وهي من المواد المثالية لصنع أجهزة عالية الحرارة والتردد والطاقة والجهد. بالمقارنة مع مادة السيليكون التقليدية (Si)، فإن فجوة نطاق كربيد السيليكون أكبر بثلاث مرات من السيليكون. الموصلية الحرارية 4-5 مرات من السيليكون؛ جهد الانهيار 8-10 مرات من السيليكون؛ معدل انجراف التشبع الإلكتروني 2-3 مرات من السيليكون، مما يلبي احتياجات الصناعة الحديثة من الطاقة العالية والجهد العالي والتردد العالي. يُستخدم بشكل رئيسي في إنتاج المكونات الإلكترونية عالية السرعة والتردد والطاقة العالية والمُصدرة للضوء. تشمل مجالات التطبيق اللاحقة الشبكات الذكية، ومركبات الطاقة الجديدة، وطاقة الرياح الكهروضوئية، واتصالات الجيل الخامس، إلخ. تم تطبيق ثنائيات كربيد السيليكون وترميز MOSFET تجاريًا.
مقاومة درجات الحرارة العالية. يبلغ عرض فجوة النطاق لكربيد السيليكون ضعفين إلى ثلاثة أضعاف عرض فجوة النطاق للسيليكون، مما يجعل انتقال الإلكترونات صعبًا في درجات الحرارة العالية، ويتحمل درجات حرارة تشغيل أعلى. كما أن الموصلية الحرارية لكربيد السيليكون أعلى بأربعة إلى خمسة أضعاف الموصلية للسيليكون، مما يُسهّل تبديد حرارة الجهاز ويرفع درجة حرارة التشغيل القصوى. تُحسّن مقاومة درجات الحرارة العالية كثافة الطاقة بشكل ملحوظ، مع تقليل متطلبات نظام التبريد، مما يجعل الطرف أخف وزنًا وأصغر حجمًا.
يتحمل الضغط العالي. قوة المجال الكهربائي الانهياري لكربيد السيليكون تعادل عشرة أضعاف قوة المجال الكهربائي الانهياري للسيليكون، مما يجعله يتحمل جهدًا كهربائيًا أعلى، وهو أكثر ملاءمةً للأجهزة عالية الجهد.
مقاومة عالية للتردد. يتميز كربيد السيليكون بمعدل انجراف إلكتروني مشبع أعلى بمرتين من السيليكون، مما يمنع تراكم التيار أثناء إيقاف التشغيل، مما يُحسّن تردد التبديل في الجهاز بشكل فعال ويُحسّن حجمه.
فقدان طاقة منخفض. بالمقارنة مع مادة السيليكون، يتميز كربيد السيليكون بمقاومة تشغيلية منخفضة جدًا وفقد منخفض للطاقة. في الوقت نفسه، يُقلل عرض فجوة النطاق العالية لكربيد السيليكون بشكل كبير من تيار التسرب وفقدان الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، لا يعاني جهاز كربيد السيليكون من ظاهرة تأخر التيار أثناء عملية إيقاف التشغيل، كما أن فقدان الطاقة عند التبديل منخفض.
سلسلة صناعة كربيد السيليكون
تشمل هذه العملية بشكل أساسي الركيزة، والتركيب، وتصميم الجهاز، والتصنيع، والختم، وما إلى ذلك. يمر كربيد السيليكون من المادة إلى جهاز أشباه الموصلات بنمو بلوري مفرد، وتقطيع السبيكة، والنمو التركيبي، وتصميم الرقاقة، والتصنيع، والتغليف، وغيرها من العمليات. بعد تركيب مسحوق كربيد السيليكون، تُصنع سبيكة كربيد السيليكون أولاً، ثم تُحصل على ركيزة كربيد السيليكون بالتقطيع والطحن والتلميع، وتُحصل على الصفيحة التركيبية بالنمو التركيبي. تُصنع الرقاقة التركيبية من كربيد السيليكون من خلال الطباعة الحجرية، والحفر، وزرع الأيونات، وتخميل المعدن، وغيرها من العمليات. تُقطع الرقاقة في قالب، ويُعبأ الجهاز، ويُدمج الجهاز في غلاف خاص، ويُجمع في وحدة.
المنبع من سلسلة الصناعة 1: الركيزة - نمو البلورات هو رابط العملية الأساسية
تشكل ركيزة كربيد السيليكون حوالي 47٪ من تكلفة أجهزة كربيد السيليكون، وهي أعلى الحواجز التقنية للتصنيع، وأكبر قيمة، وهي جوهر التصنيع واسع النطاق في المستقبل من SiC.
من منظور اختلافات الخواص الكهروكيميائية، يمكن تقسيم مواد ركيزة كربيد السيليكون إلى ركائز موصلة (بمقاومية تتراوح بين 15 و30 ملي أوم·سم) وركائز شبه معزولة (بمقاومية أعلى من 105 أوم·سم). يُستخدم هذان النوعان من الركائز في تصنيع أجهزة منفصلة، مثل أجهزة الطاقة وأجهزة الترددات الراديوية، على التوالي، بعد النمو الفوقي. من بينها، تُستخدم ركيزة كربيد السيليكون شبه المعزولة بشكل رئيسي في تصنيع أجهزة الترددات الراديوية المصنوعة من نيتريد الغاليوم، والأجهزة الكهروضوئية، وغيرها. من خلال نمو طبقة الفوقية على ركيزة SIC شبه المعزولة، تُحضّر صفيحة الفوقية، والتي يمكن تحويلها لاحقًا إلى أجهزة ترددات راديوية من نيتريد الغاليوم HEMT. تُستخدم ركيزة كربيد السيليكون الموصلة بشكل رئيسي في تصنيع أجهزة الطاقة. على عكس عملية تصنيع جهاز الطاقة السيليكونية التقليدية، لا يمكن تصنيع جهاز الطاقة كربيد السيليكون مباشرة على ركيزة كربيد السيليكون، ويجب زراعة طبقة كربيد السيليكون على الركيزة الموصلة للحصول على صفائح كربيد السيليكون، ويتم تصنيع الطبقة الظهارية على ثنائي شوتكي، وMOSFET، وIGBT وأجهزة الطاقة الأخرى.
تم تصنيع مسحوق كربيد السيليكون من مسحوق كربون عالي النقاء ومسحوق سيليكون عالي النقاء، ثم نُمّيت سبائك كربيد السيليكون بأحجام مختلفة تحت ظروف حرارية خاصة، ثم أُنتجت ركيزة كربيد السيليكون من خلال عمليات معالجة متعددة. تشمل العملية الأساسية ما يلي:
تحضير المواد الخام: يُخلط مسحوق السيليكون عالي النقاء مع مسحوق الحبر وفقًا للصيغة، ويُجرى التفاعل في غرفة التفاعل تحت درجة حرارة عالية تزيد عن 2000 درجة مئوية، لتحضير جزيئات كربيد السيليكون بنوع بلوري وحجم جزيئات محددين. بعد ذلك، من خلال عمليات التكسير والغربلة والتنظيف، يتم تلبية متطلبات مسحوق كربيد السيليكون عالي النقاء.
يُعدّ نمو البلورات العملية الأساسية لتصنيع ركائز كربيد السيليكون، وهو ما يُحدد خصائصها الكهربائية. حاليًا، تُعدّ طرق نمو البلورات الرئيسية هي نقل البخار الفيزيائي (PVT)، وترسيب البخار الكيميائي عالي الحرارة (HT-CVD)، وتكاثر الطور السائل (LPE). من بين هذه الطرق، تُعد طريقة نقل البخار الفيزيائي (PVT) الطريقة السائدة حاليًا لنمو ركائز كربيد السيليكون تجاريًا، وهي الأكثر تطورًا تقنيًا والأكثر استخدامًا في الهندسة.
يعد تحضير ركيزة SiC أمرًا صعبًا، مما يؤدي إلى ارتفاع سعرها
يُعد التحكم في مجال درجة الحرارة أمرًا صعبًا: إذ يتطلب نمو قضيب بلورة السيليكون 1500 درجة مئوية فقط، بينما يتطلب نمو قضيب بلورة كربيد السيليكون درجة حرارة عالية تزيد عن 2000 درجة مئوية، ويوجد أكثر من 250 متزامرًا من كربيد السيليكون، ولكن البنية البلورية المفردة الرئيسية لكربيد السيليكون 4H-SiC لإنتاج أجهزة الطاقة، إن لم يكن التحكم الدقيق، فسيؤدي إلى تكوين هياكل بلورية أخرى. بالإضافة إلى ذلك، يُحدد تدرج درجة الحرارة في البوتقة معدل انتقال تسامي كربيد السيليكون وترتيب ونمط نمو الذرات الغازية على واجهة البلورة، مما يؤثر على معدل نمو البلورة وجودتها، لذلك من الضروري تطوير تقنية منتظمة للتحكم في مجال درجة الحرارة. بالمقارنة مع مواد السيليكون، يكمن الاختلاف في إنتاج كربيد السيليكون أيضًا في العمليات عالية الحرارة مثل زرع الأيونات عالية الحرارة، والأكسدة عالية الحرارة، والتنشيط عالي الحرارة، وعملية القناع الصلب التي تتطلبها هذه العمليات عالية الحرارة.
نمو البلورة البطيء: يمكن أن يصل معدل نمو قضيب بلورة السيليكون إلى 30 ~ 150 مم / ساعة، ويستغرق إنتاج قضيب بلورة السيليكون 1-3 م حوالي يوم واحد فقط؛ قضيب بلورة SiC مع طريقة PVT كمثال، معدل النمو حوالي 0.2-0.4 مم / ساعة، 7 أيام لينمو أقل من 3-6 سم، معدل النمو أقل من 1٪ من مادة السيليكون، والقدرة الإنتاجية محدودة للغاية.
معلمات المنتج العالية والإنتاج المنخفض: تشمل المعلمات الأساسية لركيزة SiC كثافة الأنابيب الدقيقة، وكثافة الخلع، والمقاومة، والانحناء، وخشونة السطح، وما إلى ذلك. إنه نظام هندسي معقد لترتيب الذرات في غرفة مغلقة عالية الحرارة وإكمال نمو البلورات، مع التحكم في مؤشرات المعلمات.
تتميز هذه المادة بصلابة عالية وهشاشة عالية ووقت قطع طويل ومقاومة عالية للتآكل: تبلغ صلابة SiC 9.25 على مقياس موس، وهي ثاني أعلى درجة بعد الماس، مما يزيد بشكل كبير من صعوبة القطع والطحن والتلميع، حيث يستغرق قطع 35-40 قطعة من سبيكة بسمك 3 سم حوالي 120 ساعة. بالإضافة إلى ذلك، بسبب الهشاشة العالية لـ SiC، يكون تآكل معالجة الرقاقة أعلى، ونسبة الإنتاج حوالي 60% فقط.
اتجاه التطور: زيادة الحجم + انخفاض السعر
يشهد سوق SiC العالمي نموًا في خطوط إنتاجه بقياس 6 بوصات، وقد دخلت الشركات الرائدة سوق 8 بوصات. تتركز مشاريع التطوير المحلية بشكل رئيسي على 6 بوصات. في الوقت الحالي، على الرغم من أن معظم الشركات المحلية لا تزال تعتمد على خطوط إنتاج 4 بوصات، إلا أن الصناعة تتوسع تدريجيًا إلى 6 بوصات. مع نضج تكنولوجيا معدات الدعم 6 بوصات، تتحسن أيضًا تكنولوجيا ركيزة SiC المحلية تدريجيًا، مما سينعكس على اقتصاديات الحجم لخطوط الإنتاج كبيرة الحجم، وقد تقلصت الفجوة الزمنية الحالية للإنتاج الضخم المحلي 6 بوصات إلى 7 سنوات. يمكن أن يؤدي حجم الرقاقة الأكبر إلى زيادة عدد الرقائق المفردة، وتحسين معدل العائد، وتقليل نسبة رقائق الحافة، وسيتم الحفاظ على تكلفة البحث والتطوير وفقدان العائد عند حوالي 7٪، وبالتالي تحسين استخدام الرقاقة.
لا تزال هناك العديد من الصعوبات في تصميم الجهاز
يتحسن تسويق ثنائيات SiC تدريجيًا، حيث صممت العديد من الشركات المصنعة المحلية حاليًا منتجات SiC SBD، وتتميز هذه المنتجات بثبات جيد في الجهد المتوسط والعالي، وفي المركبات OBC، يتم استخدام SiC SBD+SI IGBT لتحقيق كثافة تيار مستقرة. حاليًا، لا توجد عوائق في تصميم براءات اختراع منتجات SiC SBD في الصين، والفجوة مع الدول الأجنبية ضئيلة.
لا تزال كربيد السيليكون (SiC MOS) تواجه صعوبات عديدة، ولا تزال هناك فجوة بين كربيد السيليكون (SiC MOS) والمصنعين الأجانب، ولا تزال منصة التصنيع ذات الصلة قيد الإنشاء. حاليًا، حققت شركات ST وInfineon وRohm وغيرها من كربيد السيليكون (SiC MOS) بجهد 600-1700 فولت إنتاجًا ضخمًا، ووقعت عقودًا وشحنت إلى العديد من الصناعات التحويلية. في حين أن تصميم كربيد السيليكون المحلي الحالي قد اكتمل تقريبًا، إلا أن عددًا من مصنعي التصميم يعملون مع المصانع في مرحلة تدفق الرقاقة، ولا يزال التحقق من العملاء لاحقًا يتطلب بعض الوقت، لذا لا يزال أمامنا وقت طويل قبل التسويق على نطاق واسع.
في الوقت الحالي، يُعد الهيكل المستوي الخيار السائد، وسيُستخدم نوع الخندق على نطاق واسع في مجال الضغط العالي مستقبلًا. يوجد العديد من مصنعي SiC MOS للهيكل المستوي، ولا يُسبب الهيكل المستوي مشاكل انهيار موضعية مقارنةً بالأخدود، مما يؤثر على استقرار العمل. في السوق، يتمتع بنطاق واسع من التطبيقات في نطاقات الجهد الأقل من 1200 فولت، كما أن الهيكل المستوي بسيط نسبيًا في التصنيع، مما يُلبي متطلبات سهولة التصنيع والتحكم في التكلفة. يتميز جهاز الأخدود بمزايا المحاثة الطفيلية المنخفضة للغاية، وسرعة التحويل العالية، وانخفاض الخسائر، والأداء العالي نسبيًا.
أخبار رقاقة 2--SiC
نمو إنتاج ومبيعات سوق كربيد السيليكون، والانتباه إلى الخلل الهيكلي بين العرض والطلب
مع النمو السريع لطلب السوق على إلكترونيات الطاقة عالية التردد والطاقة، برزت مشكلة الحدود الفيزيائية لأجهزة أشباه الموصلات القائمة على السيليكون تدريجيًا، وتطورت مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث، ممثلةً بكربيد السيليكون (SiC)، تدريجيًا في الصناعة. من حيث أداء المادة، يتميز كربيد السيليكون بعرض فجوة نطاق أكبر بثلاث مرات من مادة السيليكون، وقوة مجال الانهيار الحرج أكبر بعشر مرات، وموصلية حرارية أعلى بثلاث مرات، مما يجعل أجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون مناسبة للتطبيقات عالية التردد، والضغط العالي، ودرجات الحرارة العالية، وغيرها، مما يُسهم في تحسين كفاءة وكثافة الطاقة في أنظمة إلكترونيات الطاقة.
في الوقت الحاضر، انتقلت ثنائيات SiC و SiC MOSFETs تدريجيًا إلى السوق، وهناك منتجات أكثر نضجًا، من بينها ثنائيات SiC المستخدمة على نطاق واسع بدلاً من الثنائيات القائمة على السيليكون في بعض المجالات لأنها لا تتمتع بميزة شحن الاسترداد العكسي؛ كما يتم استخدام SiC MOSFET تدريجيًا في السيارات وتخزين الطاقة وأكوام الشحن والطاقة الكهروضوئية وغيرها من المجالات؛ في مجال تطبيقات السيارات، أصبح اتجاه التنميط أكثر بروزًا، ويحتاج الأداء المتفوق لـ SiC إلى الاعتماد على عمليات التغليف المتقدمة لتحقيقه، من الناحية الفنية مع ختم القشرة الناضجة نسبيًا باعتباره التيار الرئيسي، أو المستقبل أو لتطوير ختم البلاستيك، وخصائص التطوير المخصصة الخاصة به أكثر ملاءمة لوحدات SiC.
انخفاض سعر كربيد السيليكون بسرعة أو تفوق الخيال
إن استخدام أجهزة كربيد السيليكون محدود بشكل رئيسي بسبب تكلفتها العالية، حيث أن سعر موسفيت SiC في نفس المستوى أعلى بأربع مرات من سعر IGBT القائم على السيليكون. ويرجع ذلك إلى تعقيد عملية كربيد السيليكون، حيث أن نمو البلورات المفردة والطبقة الفوقية لا يقتصر على الضرر البيئي فحسب، بل إن معدل نموها بطيء أيضًا، كما أن معالجة البلورات المفردة في الركيزة تتطلب عملية قطع وتلميع. وبناءً على خصائصها المادية وتقنيات المعالجة غير المتطورة، فإن إنتاج الركيزة المحلية أقل من 50%، مما يؤدي إلى ارتفاع أسعار الركيزة والطبقة الفوقية لعدة عوامل.
ومع ذلك، فإن تركيبة تكلفة أجهزة كربيد السيليكون والأجهزة القائمة على السيليكون متناقضة تمامًا، حيث تمثل تكاليف الركيزة والطبقة الفوقية للقناة الأمامية 47% و23% من إجمالي الجهاز على التوالي، أي ما يعادل حوالي 70%، بينما لا تمثل تكاليف تصميم الجهاز وتصنيعه وإغلاق وصلات القناة الخلفية سوى 30%، وتتركز تكلفة إنتاج الأجهزة القائمة على السيليكون بشكل رئيسي في تصنيع رقاقة القناة الخلفية بنسبة 50% تقريبًا، بينما لا تمثل تكلفة الطبقة الفوقية سوى 7%. إن ظاهرة انقلاب قيمة سلسلة صناعة كربيد السيليكون تعني أن مصنعي الطبقة الفوقية للركيزة لديهم الحق في التحدث، وهو ما يُعد مفتاحًا لتخطيط الشركات المحلية والأجنبية.
من منظور ديناميكي للسوق، فإن خفض تكلفة كربيد السيليكون، بالإضافة إلى تحسين بلورات كربيد السيليكون الطويلة وعملية التقطيع، يعني زيادة حجم الرقاقة، وهو ما كان مسارًا ناضجًا لتطوير أشباه الموصلات في الماضي. تُظهر بيانات وولف سبيد أن ترقية ركيزة كربيد السيليكون من 6 بوصات إلى 8 بوصات، يمكن أن تزيد إنتاج الرقائق المؤهلة بنسبة 80٪ -90٪، مما يساعد على تحسين العائد. يمكن أن يقلل التكلفة الإجمالية للوحدة بنسبة 50٪.
يُعرف عام 2023 باسم "السنة الأولى من SiC مقاس 8 بوصات"، هذا العام، يقوم مصنعو كربيد السيليكون المحليون والأجانب بتسريع تخطيط كربيد السيليكون مقاس 8 بوصات، مثل استثمار Wolfspeed المجنون بقيمة 14.55 مليار دولار أمريكي لتوسيع إنتاج كربيد السيليكون، وهو جزء مهم منه هو بناء مصنع تصنيع ركيزة SiC مقاس 8 بوصات، لضمان توريد المعدن العاري SiC مقاس 200 مم في المستقبل لعدد من الشركات؛ كما وقعت شركة Tianyue Advanced وTianke Heda المحلية اتفاقيات طويلة الأجل مع Infineon لتوريد ركائز كربيد السيليكون مقاس 8 بوصات في المستقبل.
بدءًا من هذا العام، سيتسارع نمو كربيد السيليكون من 6 بوصات إلى 8 بوصات. وتتوقع شركة وولفسبيد أنه بحلول عام 2024، ستنخفض تكلفة وحدة رقاقة الركيزة 8 بوصات بنسبة تزيد عن 60% مقارنةً بتكلفة وحدة رقاقة الركيزة 6 بوصات في عام 2022، مما سيفتح آفاقًا أوسع لسوق التطبيقات، وفقًا لبيانات أبحاث شركة جي بوند الاستشارية. وتبلغ حصة السوق الحالية لمنتجات 8 بوصات أقل من 2%، ومن المتوقع أن تنمو إلى حوالي 15% بحلول عام 2026.
في الواقع، فإن معدل الانخفاض في سعر ركيزة كربيد السيليكون قد يتجاوز خيال الكثير من الناس، والعرض الحالي في السوق من الركيزة 6 بوصة هو 4000-5000 يوان / قطعة، مقارنة مع بداية العام قد انخفض كثيرا، ومن المتوقع أن ينخفض إلى أقل من 4000 يوان في العام المقبل، تجدر الإشارة إلى أن بعض الشركات المصنعة من أجل الحصول على السوق الأولى، خفضت سعر البيع إلى خط التكلفة أدناه، فتح نموذج حرب الأسعار، تتركز أساسا في إمدادات ركيزة كربيد السيليكون كانت كافية نسبيا في مجال الجهد المنخفض، الشركات المصنعة المحلية والأجنبية توسع بقوة القدرة الإنتاجية، أو السماح لمرحلة العرض الزائد من ركيزة كربيد السيليكون في وقت أبكر مما يتصور.
وقت النشر: ١٩ يناير ٢٠٢٤