Aké výzvy zahŕňa výroba SiC?

SiC sa vo veľkej miere využíva v elektrických vozidlách (EV) pre trakčné invertory a palubné nabíjačky, ako aj v infraštruktúrnych aplikáciách, ako sú rýchlonabíjačky jednosmerného prúdu, solárne invertory, systémy na ukladanie energie a zdroje neprerušiteľného napájania (UPS). Napriek tomu, že sa SiC používa v hromadnej výrobe už viac ako storočie – spočiatku ako brúsny materiál – preukázal výnimočný výkon aj vo vysokonapäťových a vysokovýkonných aplikáciách.

Z hľadiska fyzikálnych vlastností,karbid kremíkavykazuje vysokú tepelnú vodivosť, vysokú rýchlosť driftu nasýtených elektrónov a vysoké prierazné elektrické pole (ako je znázornené na obrázku 1). Výsledkom je, že systémy na báze karbidu kremíka môžu výrazne znížiť straty energie a dosiahnuť rýchlejšie spínacie rýchlosti počas prevádzky. V porovnaní s tradičnými kremíkovými MOSFET a IGBT zariadeniami môže karbid kremíka poskytnúť tieto výhody v menších veľkostiach, ponúka vyššiu účinnosť a vynikajúci výkon.

Obrázok 1: Charakteristiky kremíkových a širokých bandgap materiálov

Prevádzka karbidu kremíka môže prekročiť limitykremíkas prevádzkovými frekvenciami vyššími ako majú kremíkové IGBT a môže tiež výrazne zvýšiť hustotu výkonu.

Obrázok 2: SiC verzus Si

Čo robí OpportunitiesKarbid kremíkaSúčasnosť?

Pre výrobcov je karbid kremíka vnímaný ako významná konkurenčná výhoda. Poskytuje nielen príležitosti na výstavbu energeticky účinných systémov, ale tiež efektívne znižuje celkovú veľkosť, hmotnosť a náklady na tieto systémy. Je to preto, že systémy využívajúce karbid kremíka sú vo všeobecnosti energeticky účinnejšie, kompaktnejšie a odolnejšie v porovnaní so systémami na báze kremíka, čo umožňuje konštruktérom znížiť náklady znížením veľkosti pasívnych komponentov. Presnejšie povedané, vďaka nižšiemu generovaniu tepla SiC zariadení sa prevádzková teplota môže udržiavať pod teplotou tradičných riešení, ako je znázornené na obrázku 3. To zvyšuje účinnosť systému a zároveň zvyšuje spoľahlivosť a predlžuje životnosť zariadenia.

Obrázok 3: Výhody aplikácií karbidu kremíka

Vo fáze návrhu a výroby môže prijatie nových technológií spájania čipov, ako je spekanie, uľahčiť efektívnejší odvod tepla a zabezpečiť spoľahlivosť spojenia. V porovnaní s kremíkovými zariadeniami môžu SiC zariadenia pracovať pri vyšších napätiach a ponúkajú vyššie rýchlosti spínania. Tieto výhody umožňujú dizajnérom prehodnotiť, ako optimalizovať funkčnosť na úrovni systému a zároveň zvýšiť konkurencieschopnosť nákladov. V súčasnosti mnoho vysokovýkonných zariadení používa technológiu SiC, vrátane diód z karbidu kremíka, MOSFETov a modulov.

V porovnaní s kremíkovými materiálmi otvára vynikajúci výkon SiC obrovské vyhliadky pre nové aplikácie. SiC zariadenia sú typicky navrhnuté pre napätie nie nižšie ako 650 V a najmä nad 1200 V, SiC sa stáva preferovanou voľbou pre mnohé aplikácie. Očakáva sa, že aplikácie, ako sú solárne invertory, nabíjacie stanice EV a priemyselná konverzia striedavého prúdu na jednosmerný prúd, sa postupne posunú smerom k technológii SiC. Ďalšou oblasťou použitia sú polovodičové transformátory, kde budú existujúce medené a magnetické transformátory postupne nahradené technológiou SiC, ktorá ponúka vyššiu účinnosť a spoľahlivosť pri prenose a konverzii energie.

Čo robia výzvy vo výrobeKarbid kremíkatvár?

Hoci má karbid kremíka obrovský trhový potenciál, jeho výrobný proces čelí aj niekoľkým výzvam. Najprv musí byť zabezpečená čistota surovín – konkrétne SiC granúl alebo práškov. Následne si výroba vysoko konzistentných ingotov SiC (ako je znázornené na obrázku 4) vyžaduje hromadenie skúseností v každej ďalšej fáze spracovania, aby sa zabezpečila spoľahlivosť konečného produktu (ako je znázornené na obrázku 5).

Jedinečnou výzvou SiC je, že nemá kvapalnú fázu, čo znamená, že sa nemôže pestovať tradičnými metódami taveniny. Rast kryštálov musí prebiehať pod presne kontrolovaným tlakom, vďaka čomu je výroba SiC zložitejšia ako výroba kremíka. Ak je stabilita udržiavaná vo vysokoteplotnom a nízkotlakovom prostredí, SiC sa priamo rozloží na plynné látky bez toho, aby prešiel kvapalnou fázou.

Vďaka tejto charakteristike rast kryštálov SiC zvyčajne využíva techniky sublimácie alebo fyzikálneho transportu pár (PVT). V tomto procese sa prášok SiC umiestni do téglika vo vnútri pece a zahreje sa na vysoké teploty (presahujúce 2200 °C). Keď SiC sublimuje, kryštalizuje na zárodočnom kryštáli za vzniku kryštálu. Rozhodujúcou súčasťou metódy rastu PVT je zárodočný kryštál, ktorého priemer je podobný priemeru ingotu. Je pozoruhodné, že rýchlosť rastu procesu PVT je veľmi pomalá, približne 0,1 až 0,5 milimetra za hodinu.

Obrázok 4: Prášok karbidu kremíka, ingoty a doštičky

Vďaka extrémnej tvrdosti SiC v porovnaní s kremíkom,oblátkaVýrobný proces je tiež zložitejší. SiC je výnimočne tvrdý materiál, ktorý sťažuje rezanie aj diamantovými pílami, pričom tvrdosť ho odlišuje od mnohých iných polovodičových materiálov. Hoci v súčasnosti existuje niekoľko metód na rezanie ingotov na doštičky, tieto metódy môžu potenciálne zaviesť defekty do monokryštálu, čo ovplyvňuje konečnú kvalitu materiálu.

Obrázok 5: Výrobný proces karbidu kremíka od surovín po finálne produkty

Okrem toho výroba SiC vo veľkom meradle naráža aj na výzvy. SiC má vo svojej podstate viac defektov v porovnaní s kremíkom. Jeho dopingový proces je veľmi zložitý a výroba veľkorozmerných doštičiek SiC s nízkymi chybami znamená vyššie výrobné a spracovateľské náklady. Preto je od začiatku nevyhnutné zaviesť efektívny a prísny vývojový proces na zabezpečenie konzistentnej výroby vysoko kvalitných produktov.

Obrázok 6: Výzvy – doštičky a defekty karbidu kremíka

My v Semicorex sa špecializujeme naGrafit potiahnutý SiC/TaCriešenia používané pri výrobe polovodičov SiC, ak máte akékoľvek otázky alebo potrebujete ďalšie podrobnosti, neváhajte nás kontaktovať.

Kontaktný telefón: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com