Какие проблемы возникают при производстве SiC?

Карбид кремния широко используется в электромобилях (EV) для тяговых инверторов и бортовых зарядных устройств, а также в инфраструктурных приложениях, таких как устройства для быстрой зарядки постоянного тока, солнечные инверторы, системы хранения энергии и источники бесперебойного питания (ИБП). Несмотря на то, что карбид кремния используется в массовом производстве уже более столетия (первоначально в качестве абразивного материала), он также продемонстрировал исключительные характеристики при работе с высоким напряжением и большой мощностью.

С точки зрения физических свойств,карбид кремниядемонстрирует высокую теплопроводность, высокую скорость дрейфа насыщенных электронов и сильное электрическое поле пробоя (как показано на рисунке 1). В результате системы на основе карбида кремния позволяют значительно снизить потери энергии и добиться более высоких скоростей переключения во время работы. По сравнению с традиционными кремниевыми MOSFET и IGBT устройствами карбид кремния может обеспечить эти преимущества при меньших размерах, предлагая более высокую эффективность и превосходные характеристики.

Рисунок 1: Характеристики кремния и широкозонных материалов

Эксплуатация карбида кремния может выходить за пределыкремний, с рабочими частотами выше, чем у кремниевых IGBT, а также может значительно повысить плотность мощности.

Рисунок 2: SiC против Si

Какие возможности даетКарбид кремнияПодарок?

Для производителей карбид кремния воспринимается как значительное конкурентное преимущество. Это не только открывает возможности для создания энергоэффективных систем, но и эффективно снижает общий размер, вес и стоимость этих систем. Это связано с тем, что системы, использующие карбид кремния, как правило, более энергоэффективны, компактны и долговечны по сравнению с системами на основе кремния, что позволяет разработчикам сократить расходы за счет уменьшения размера пассивных компонентов. В частности, из-за более низкого тепловыделения устройств SiC рабочая температура может поддерживаться ниже, чем у традиционных решений, как показано на рисунке 3. Это повышает эффективность системы, а также повышает надежность и продлевает срок службы оборудования.

Рисунок 3: Преимущества применения карбида кремния

На этапе проектирования и производства внедрение новых технологий соединения чипов, таких как спекание, может способствовать более эффективному рассеиванию тепла и обеспечению надежности соединения. По сравнению с кремниевыми устройствами, устройства SiC могут работать при более высоких напряжениях и обеспечивать более высокую скорость переключения. Эти преимущества позволяют разработчикам переосмыслить способы оптимизации функциональности на уровне системы, одновременно повышая конкурентоспособность затрат. В настоящее время во многих высокопроизводительных устройствах используется технология SiC, включая карбидокремниевые диоды, МОП-транзисторы и модули.

По сравнению с кремниевыми материалами превосходные характеристики SiC открывают огромные перспективы для новых приложений. Устройства SiC обычно рассчитаны на напряжение не менее 650 В, и особенно выше 1200 В. Карбид кремния становится предпочтительным выбором для многих приложений. Ожидается, что такие приложения, как солнечные инверторы, зарядные станции для электромобилей и промышленное преобразование переменного тока в постоянный, постепенно перейдут на технологию SiC. Другая область применения — полупроводниковые трансформаторы, где существующие медные и магнитные трансформаторы будут постепенно заменены технологией SiC, обеспечивающей более высокую эффективность и надежность при передаче и преобразовании энергии.

Какие производственные задачи решаетКарбид кремнияЛицо?

Хотя карбид кремния обладает огромным рыночным потенциалом, процесс его производства также сталкивается с рядом проблем. Первоначально необходимо обеспечить чистоту сырья, а именно гранул или порошков SiC. После этого производство высококонсистентных слитков SiC (как показано на рисунке 4) требует накопления опыта на каждом последующем этапе обработки, чтобы гарантировать надежность конечного продукта (как показано на рисунке 5).

Уникальная проблема SiC заключается в том, что он не обладает жидкой фазой, а это означает, что его нельзя вырастить традиционными методами из расплава. Рост кристаллов должен происходить при точно контролируемом давлении, что делает производство SiC более сложным, чем производство кремния. Если стабильность сохраняется в средах с высокой температурой и низким давлением, SiC будет напрямую разлагаться на газообразные вещества, минуя жидкую фазу.

Из-за этой характеристики при выращивании кристаллов SiC обычно используются методы сублимации или физического переноса паров (PVT). В этом процессе порошок SiC помещается в тигель внутри печи и нагревается до высоких температур (более 2200°C). При сублимации SiC он кристаллизуется на затравочном кристалле, образуя кристалл. Важнейшей частью метода PVT-роста является затравочный кристалл, диаметр которого аналогичен диаметру слитка. Примечательно, что скорость роста процесса PVT очень медленная, примерно от 0,1 до 0,5 миллиметров в час.

Рисунок 4. Порошок карбида кремния, слитки и пластины.

Благодаря чрезвычайной твердости SiC по сравнению с кремнием,вафляПроизводственный процесс также более сложен. Карбид кремния — исключительно твердый материал, поэтому его сложно резать даже алмазными пилами. Эта твердость отличает его от многих других полупроводниковых материалов. Хотя в настоящее время существует несколько методов нарезки слитков на пластины, эти методы потенциально могут привести к появлению дефектов в монокристалле, влияя на конечное качество материала.

Рисунок 5: Процесс производства карбида кремния от сырья до конечной продукции.

Более того, крупномасштабное производство SiC также сталкивается с проблемами. SiC по своей сути имеет больше дефектов по сравнению с кремнием. Процесс легирования очень сложен, а производство пластин SiC большого размера с низким уровнем дефектов требует более высоких затрат на производство и обработку. Поэтому установление эффективного и строгого процесса разработки с самого начала имеет решающее значение для обеспечения стабильного производства высококачественной продукции.

Рисунок 6. Проблемы – пластины карбида кремния и дефекты

Мы в Semicorex специализируемся наГрафит с покрытием SiC/TaCрешения, применяемые в производстве полупроводников SiC. Если у вас есть какие-либо вопросы или вам нужна дополнительная информация, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам.

Контактный телефон: +86-13567891907

Электронная почта: sales@semicorex.com