مقدمة إلى كربيد السيليكون
كربيد السيليكون (SiC) عبارة عن مادة شبه موصلة مركبة تتكون من الكربون والسيليكون، وهي واحدة من المواد المثالية لصنع الأجهزة ذات درجة الحرارة العالية والتردد العالي والطاقة العالية والجهد العالي.بالمقارنة مع مادة السيليكون التقليدية (Si)، فإن فجوة شريط كربيد السيليكون تبلغ 3 أضعاف فجوة السيليكون.الموصلية الحرارية هي 4-5 مرات من السيليكون.جهد الانهيار هو 8-10 أضعاف جهد السيليكون.معدل انجراف التشبع الإلكتروني هو 2-3 أضعاف معدل السيليكون، مما يلبي احتياجات الصناعة الحديثة من الطاقة العالية والجهد العالي والتردد العالي.يتم استخدامه بشكل أساسي لإنتاج المكونات الإلكترونية عالية السرعة والتردد والطاقة العالية والباعثة للضوء.تشمل مجالات التطبيق النهائية الشبكة الذكية، ومركبات الطاقة الجديدة، وطاقة الرياح الكهروضوئية، واتصالات الجيل الخامس (5G)، وما إلى ذلك. وقد تم تطبيق ثنائيات كربيد السيليكون والدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) تجاريًا.
مقاومة درجات الحرارة العالية.يبلغ عرض فجوة شريط كربيد السيليكون 2-3 أضعاف عرض السيليكون، وليس من السهل انتقال الإلكترونات عند درجات حرارة عالية، ويمكنها تحمل درجات حرارة التشغيل الأعلى، والتوصيل الحراري لكربيد السيليكون هو 4-5 مرات من السيليكون، مما يجعل تبديد حرارة الجهاز أسهل ودرجة حرارة التشغيل القصوى أعلى.يمكن أن تؤدي مقاومة درجات الحرارة العالية إلى زيادة كثافة الطاقة بشكل كبير مع تقليل متطلبات نظام التبريد، مما يجعل الجهاز أخف وزنًا وأصغر حجمًا.
يتحمل الضغط العالي .تبلغ قوة المجال الكهربائي للانهيار في كربيد السيليكون 10 أضعاف قوة السيليكون، وهو قادر على تحمل الفولتية العالية وهو أكثر ملاءمة للأجهزة ذات الجهد العالي.
مقاومة عالية التردد.يحتوي كربيد السيليكون على معدل انجراف إلكترون مشبع ضعف معدل انجراف السيليكون، مما يؤدي إلى عدم وجود مخلفات تيار أثناء عملية إيقاف التشغيل، مما يمكن أن يحسن بشكل فعال تردد تبديل الجهاز ويحقق تصغير الجهاز.
انخفاض فقدان الطاقة.بالمقارنة مع مادة السيليكون، فإن كربيد السيليكون لديه مقاومة منخفضة جدًا وخسارة منخفضة.وفي الوقت نفسه، فإن عرض فجوة النطاق العالية لكربيد السيليكون يقلل بشكل كبير من تسرب التيار وفقدان الطاقة.بالإضافة إلى ذلك، جهاز كربيد السيليكون ليس لديه ظاهرة زائدة حالية أثناء عملية إيقاف التشغيل، وخسارة التبديل منخفضة.
سلسلة صناعة كربيد السيليكون
وهي تشمل بشكل أساسي الركيزة، والطبقة، وتصميم الجهاز، والتصنيع، والختم، وما إلى ذلك.سيشهد كربيد السيليكون من المادة إلى جهاز الطاقة أشباه الموصلات نموًا بلوريًا واحدًا، وتقطيع السبائك، والنمو الفوقي، وتصميم الرقاقات، والتصنيع، والتعبئة والتغليف وغيرها من العمليات.بعد تصنيع مسحوق كربيد السيليكون، يتم تصنيع سبيكة كربيد السيليكون أولاً، ومن ثم يتم الحصول على ركيزة كربيد السيليكون عن طريق التقطيع والطحن والتلميع، ويتم الحصول على الورقة الفوقي عن طريق النمو الفوقي.يتم تصنيع الرقاقة الفوقية من كربيد السيليكون من خلال الطباعة الحجرية والحفر وزرع الأيونات وتخميل المعادن وغيرها من العمليات، ويتم تقطيع الرقاقة إلى قالب، ويتم تعبئة الجهاز، ويتم دمج الجهاز في غلاف خاص ويتم تجميعه في وحدة نمطية.
الجزء العلوي من سلسلة الصناعة 1: الركيزة - نمو البلورات هو الرابط الأساسي للعملية
تمثل الركيزة من كربيد السيليكون حوالي 47٪ من تكلفة أجهزة كربيد السيليكون، وهي أعلى حواجز تقنية للتصنيع، وأكبر قيمة، وهي جوهر التصنيع المستقبلي واسع النطاق لـ SiC.
من منظور اختلافات الخواص الكهروكيميائية، يمكن تقسيم المواد الأساسية من كربيد السيليكون إلى ركائز موصلة (منطقة المقاومة 15 ~ 30mΩ·cm) وركائز شبه معزولة (مقاومة أعلى من 105Ω·cm).يتم استخدام هذين النوعين من الركائز لتصنيع أجهزة منفصلة مثل أجهزة الطاقة وأجهزة الترددات الراديوية على التوالي بعد النمو الفوقي.من بينها، يتم استخدام ركيزة كربيد السيليكون شبه المعزولة بشكل رئيسي في تصنيع أجهزة الترددات اللاسلكية من نيتريد الغاليوم والأجهزة الكهروضوئية وما إلى ذلك.من خلال تنمية الطبقة الفوقية gan على ركيزة SIC شبه معزولة، يتم إعداد اللوحة الفوقية gan، والتي يمكن تحضيرها بشكل أكبر في أجهزة HEMT gan iso-nitride RF.يتم استخدام ركيزة كربيد السيليكون الموصلة بشكل رئيسي في تصنيع أجهزة الطاقة.يختلف عن عملية تصنيع جهاز طاقة السيليكون التقليدية، لا يمكن تصنيع جهاز طاقة كربيد السيليكون مباشرة على الركيزة الفوقية من كربيد السيليكون، ويجب زراعة الطبقة الفوقية من كربيد السيليكون على الركيزة الموصلة للحصول على الطبقة الفوقية من كربيد السيليكون، والطبقة الفوقية من كربيد السيليكون. يتم تصنيع الطبقة على صمام ثنائي شوتكي، MOSFET، IGBT وأجهزة الطاقة الأخرى.
تم تصنيع مسحوق كربيد السيليكون من مسحوق الكربون عالي النقاء ومسحوق السيليكون عالي النقاء، وتمت زراعة أحجام مختلفة من سبيكة كربيد السيليكون تحت مجال درجة حرارة خاصة، ثم تم إنتاج ركيزة كربيد السيليكون من خلال عمليات معالجة متعددة.تتضمن العملية الأساسية ما يلي:
تخليق المواد الخام: يتم خلط مسحوق السيليكون عالي النقاء + الحبر وفقًا للصيغة، ويتم تنفيذ التفاعل في غرفة التفاعل تحت ظروف درجة الحرارة المرتفعة فوق 2000 درجة مئوية لتجميع جزيئات كربيد السيليكون بنوع وجسيم بلوري محدد. مقاس.ثم من خلال التكسير والغربلة والتنظيف وغيرها من العمليات، لتلبية متطلبات المواد الخام لمسحوق كربيد السيليكون عالية النقاء.
النمو البلوري هو العملية الأساسية لتصنيع ركيزة كربيد السيليكون، والتي تحدد الخواص الكهربائية لركيزة كربيد السيليكون.في الوقت الحاضر، الطرق الرئيسية لنمو البلورات هي نقل البخار الفيزيائي (PVT)، ترسيب البخار الكيميائي ذو درجة الحرارة العالية (HT-CVD) ونضوج الطور السائل (LPE).من بينها، طريقة PVT هي الطريقة السائدة للنمو التجاري لركيزة SiC في الوقت الحاضر، مع أعلى مستوى من النضج الفني والأكثر استخدامًا على نطاق واسع في الهندسة.
يعد تحضير ركيزة SiC أمرًا صعبًا، مما يؤدي إلى ارتفاع سعره
يعد التحكم في مجال درجة الحرارة أمرًا صعبًا: يحتاج نمو قضيب بلورات Si إلى 1500 درجة مئوية فقط، بينما يحتاج قضيب بلورات SiC إلى النمو عند درجة حرارة عالية أعلى من 2000 درجة مئوية، وهناك أكثر من 250 أيزومرات SiC، ولكن الهيكل البلوري الفردي الرئيسي 4H-SiC لـ إنتاج أجهزة الطاقة، إن لم يكن التحكم الدقيق، سوف تحصل على هياكل بلورية أخرى.بالإضافة إلى ذلك، يحدد التدرج الحراري في البوتقة معدل نقل التسامي SiC وترتيب وطريقة نمو الذرات الغازية على الواجهة البلورية، مما يؤثر على معدل نمو البلورة وجودة البلورة، لذلك من الضروري تشكيل مجال درجة حرارة نظامي تكنولوجيا التحكم.بالمقارنة مع مواد Si، فإن الاختلاف في إنتاج SiC يكمن أيضًا في عمليات درجة الحرارة المرتفعة مثل زرع الأيونات ذات درجة الحرارة العالية، والأكسدة ذات درجة الحرارة العالية، والتنشيط بدرجة الحرارة المرتفعة، وعملية القناع الصلب التي تتطلبها عمليات درجة الحرارة المرتفعة هذه.
نمو بلوري بطيء: يمكن أن يصل معدل نمو قضيب كريستال Si إلى 30 ~ 150 مم / ساعة، ويستغرق إنتاج قضيب كريستال السيليكون 1-3 متر حوالي يوم واحد فقط؛قضيب كريستال SiC مع طريقة PVT كمثال، معدل النمو حوالي 0.2-0.4 مم / ساعة، 7 أيام لتنمو أقل من 3-6 سم، معدل النمو أقل من 1٪ من مادة السيليكون، والقدرة الإنتاجية للغاية محدود.
معلمات المنتج العالية والإنتاجية المنخفضة: تشمل المعلمات الأساسية لركيزة SiC كثافة الأنابيب الدقيقة، وكثافة التفكك، والمقاومة، والالتواء، وخشونة السطح، وما إلى ذلك. إنها هندسة نظام معقدة لترتيب الذرات في غرفة مغلقة ذات درجة حرارة عالية ونمو بلوري كامل، أثناء التحكم في فهارس المعلمات.
تتميز المادة بصلابة عالية وهشاشة عالية ووقت قطع طويل وتآكل عالي: صلابة SiC Mohs البالغة 9.25 تأتي في المرتبة الثانية بعد الماس، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في صعوبة القطع والطحن والتلميع، ويستغرق الأمر حوالي 120 ساعة قطع 35-40 قطعة من سبيكة بسمك 3 سم.بالإضافة إلى ذلك، نظرًا للهشاشة العالية لـ SiC، سيكون تآكل معالجة الرقاقة أكثر، ونسبة الإخراج حوالي 60٪ فقط.
اتجاه التنمية: زيادة الحجم + انخفاض الأسعار
إن خط الإنتاج بحجم 6 بوصة في سوق SiC العالمي ينضج، وقد دخلت الشركات الرائدة سوق 8 بوصة.مشاريع التنمية المحلية هي في الأساس 6 بوصات.في الوقت الحاضر، على الرغم من أن معظم الشركات المحلية لا تزال تعتمد على خطوط إنتاج 4 بوصة، إلا أن الصناعة تتوسع تدريجياً إلى 6 بوصة، مع نضج تكنولوجيا المعدات الداعمة 6 بوصة، تعمل تكنولوجيا الركيزة SiC المحلية أيضًا على تحسين اقتصاديات تدريجيًا سينعكس حجم خطوط الإنتاج كبيرة الحجم، وقد ضاقت الفجوة الزمنية للإنتاج الضخم المحلي الحالي مقاس 6 بوصات إلى 7 سنوات.يمكن أن يؤدي حجم الرقاقة الأكبر إلى زيادة عدد الرقائق المفردة، وتحسين معدل الإنتاجية، وتقليل نسبة رقائق الحافة، وسيتم الحفاظ على تكلفة البحث والتطوير وخسارة الإنتاجية عند حوالي 7%، وبالتالي تحسين الرقاقة استغلال.
لا تزال هناك العديد من الصعوبات في تصميم الجهاز
تم تحسين تسويق الصمام الثنائي SiC تدريجيًا، في الوقت الحاضر، قام عدد من الشركات المصنعة المحلية بتصميم منتجات SiC SBD، ومنتجات SiC SBD ذات الجهد المتوسط والعالي تتمتع باستقرار جيد، في السيارة OBC، واستخدام SiC SBD + SI IGBT لتحقيق الاستقرار كثافة التيار.في الوقت الحاضر، لا توجد عوائق أمام تصميم براءات الاختراع لمنتجات SiC SBD في الصين، والفجوة مع الدول الأجنبية صغيرة.
لا يزال SiC MOS يواجه العديد من الصعوبات، ولا تزال هناك فجوة بين SiC MOS والمصنعين في الخارج، ولا تزال منصة التصنيع ذات الصلة قيد الإنشاء.في الوقت الحاضر، حققت ST وInfineon وRohm وغيرها من 600-1700V SiC MOS إنتاجًا ضخمًا ووقعت وشحنت مع العديد من الصناعات التحويلية، في حين تم الانتهاء بشكل أساسي من تصميم SiC MOS المحلي الحالي، ويعمل عدد من الشركات المصنعة للتصميم مع المصانع في لا تزال مرحلة تدفق الرقاقة والتحقق من العميل لاحقًا بحاجة إلى بعض الوقت، لذلك لا يزال هناك وقت طويل قبل التسويق على نطاق واسع.
في الوقت الحاضر، يعد الهيكل المستوي هو الخيار السائد، ويستخدم نوع الخندق على نطاق واسع في مجال الضغط العالي في المستقبل.هناك العديد من الشركات المصنعة للهيكل المستوي SiC MOS، والهيكل المستوي ليس من السهل إنتاج مشاكل انهيار محلية مقارنة بالأخدود، مما يؤثر على استقرار العمل، في السوق أقل من 1200 فولت لديه مجموعة واسعة من قيمة التطبيق، والهيكل المستوي نسبيًا بسيطة في نهاية التصنيع، لتلبية قابلية التصنيع ومراقبة التكاليف جانبين.يتميز جهاز الأخدود بمزايا الحث الطفيلي المنخفض للغاية وسرعة التبديل السريعة والخسارة المنخفضة والأداء العالي نسبيًا.
2-أخبار رقاقة SiC
إنتاج سوق كربيد السيليكون ونمو المبيعات، والانتباه إلى عدم التوازن الهيكلي بين العرض والطلب
مع النمو السريع للطلب في السوق على إلكترونيات الطاقة عالية التردد وعالية الطاقة، أصبح عنق الزجاجة الحد المادي لأجهزة أشباه الموصلات القائمة على السيليكون بارزًا تدريجيًا، وأصبحت مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث التي يمثلها كربيد السيليكون (SiC) تدريجيًا تصبح صناعية.من وجهة نظر أداء المواد، يحتوي كربيد السيليكون على 3 أضعاف عرض فجوة النطاق لمادة السيليكون، و10 أضعاف قوة المجال الكهربائي للانهيار الحرج، و3 أضعاف التوصيل الحراري، لذا فإن أجهزة طاقة كربيد السيليكون مناسبة للتردد العالي والضغط العالي، تساعد درجات الحرارة المرتفعة والتطبيقات الأخرى على تحسين كفاءة وكثافة الطاقة لأنظمة الطاقة الإلكترونية.
في الوقت الحاضر، انتقلت الثنائيات SiC وSiC MOSFETs تدريجيًا إلى السوق، وهناك منتجات أكثر نضجًا، من بينها تستخدم الثنائيات SiC 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 النمطية أكثر وضوحًا، ويحتاج الأداء المتفوق لـ SiC إلى الاعتماد على عمليات التعبئة والتغليف المتقدمة لتحقيقه، تقنيًا مع ختم الغلاف الناضج نسبيًا باعتباره الاتجاه السائد، أو المستقبل أو تطوير الختم البلاستيكي. ، فإن خصائص التطوير المخصصة لها أكثر ملاءمة لوحدات SiC.
سرعة انخفاض سعر كربيد السيليكون أو تفوق الخيال
يقتصر تطبيق أجهزة كربيد السيليكون بشكل أساسي على التكلفة العالية، وسعر SiC MOSFET تحت نفس المستوى أعلى 4 مرات من سعر IGBT القائم على Si، وذلك لأن عملية كربيد السيليكون معقدة، حيث نمو البلورة المفردة والفوقي ليست قاسية على البيئة فحسب، بل إن معدل النمو بطيء أيضًا، ويجب أن تمر المعالجة البلورية المفردة في الركيزة بعملية القطع والتلميع.استنادًا إلى خصائص المواد الخاصة بها وتكنولوجيا المعالجة غير الناضجة، فإن إنتاجية الركيزة المحلية أقل من 50%، وتؤدي عوامل مختلفة إلى ارتفاع أسعار الركيزة والفوقي.
ومع ذلك، فإن تركيبة تكلفة أجهزة كربيد السيليكون والأجهزة القائمة على السيليكون متعارضة تمامًا، حيث تمثل تكاليف الركيزة والفوقي للقناة الأمامية 47% و23% من الجهاز بأكمله على التوالي، بإجمالي حوالي 70%، وتصميم الجهاز وتصنيعه. وتمثل وصلات الختم للقناة الخلفية 30% فقط، وتتركز تكلفة إنتاج الأجهزة القائمة على السيليكون بشكل أساسي في تصنيع الرقاقات للقناة الخلفية بحوالي 50%، وتمثل تكلفة الركيزة 7% فقط.إن ظاهرة قيمة سلسلة صناعة كربيد السيليكون رأسًا على عقب تعني أن الشركات المصنعة لطبقة الركيزة الأولية لها الحق الأساسي في التحدث، وهو المفتاح لتخطيط المؤسسات المحلية والأجنبية.
من وجهة نظر ديناميكية في السوق، فإن تقليل تكلفة كربيد السيليكون، بالإضافة إلى تحسين البلورة الطويلة وعملية التقطيع من كربيد السيليكون، يؤدي إلى توسيع حجم الرقاقة، وهو أيضًا المسار الناضج لتطوير أشباه الموصلات في الماضي، تظهر بيانات Wolfspeed أن ترقية ركيزة كربيد السيليكون من 6 بوصات إلى 8 بوصات، يمكن أن يزيد إنتاج الرقائق المؤهلة بنسبة 80%-90%، ويساعد على تحسين الإنتاجية.يمكن أن تقلل من تكلفة الوحدة المجمعة بنسبة 50%.
يُعرف عام 2023 باسم "العام الأول من SiC مقاس 8 بوصات"، هذا العام، يعمل مصنعو كربيد السيليكون المحليون والأجانب على تسريع تخطيط كربيد السيليكون مقاس 8 بوصات، مثل استثمار Wolfspeed المجنون بقيمة 14.55 مليار دولار أمريكي لتوسيع إنتاج كربيد السيليكون، جزء مهم منه هو بناء مصنع لتصنيع الركائز SiC مقاس 8 بوصة، لضمان التوريد المستقبلي لـ 200 مم من معدن SiC العاري لعدد من الشركات؛كما وقعت شركتا Tianyue Advanced وTianke Heda المحليتان اتفاقيات طويلة الأجل مع Infineon لتزويد ركائز كربيد السيليكون مقاس 8 بوصات في المستقبل.
بدءًا من هذا العام، سيتسارع كربيد السيليكون من 6 بوصات إلى 8 بوصات، وتتوقع Wolfspeed أنه بحلول عام 2024، سيتم تخفيض تكلفة شريحة الوحدة المكونة من ركيزة 8 بوصات مقارنة بتكلفة شريحة الوحدة المكونة من ركيزة 6 بوصات في عام 2022 بأكثر من 60٪ وأشارت بيانات أبحاث Ji Bond Consulting إلى أن انخفاض التكلفة سيفتح سوق التطبيقات بشكل أكبر.وتبلغ الحصة السوقية الحالية للمنتجات مقاس 8 بوصة أقل من 2%، ومن المتوقع أن تنمو حصة السوق إلى حوالي 15% بحلول عام 2026.
في الواقع، قد يتجاوز معدل الانخفاض في سعر الركيزة كربيد السيليكون خيال الكثير من الناس، ويبلغ عرض السوق الحالي للركيزة مقاس 6 بوصات 4000-5000 يوان / قطعة، مقارنة ببداية العام قد انخفض كثيرًا، من المتوقع أن ينخفض إلى أقل من 4000 يوان في العام المقبل، ومن الجدير بالذكر أن بعض الشركات المصنعة من أجل الوصول إلى السوق الأول، خفضت سعر البيع إلى خط التكلفة أدناه، وفتحت نموذج حرب الأسعار، وتتركز بشكل رئيسي في الركيزة كربيد السيليكون كان العرض كافيًا نسبيًا في مجال الجهد المنخفض، ويقوم المصنعون المحليون والأجانب بتوسيع الطاقة الإنتاجية بقوة، أو يسمحون لركيزة كربيد السيليكون بزيادة العرض في وقت أبكر مما كان متصورًا.
وقت النشر: 19 يناير 2024