Hvilke utfordringer er involvert i SiC-produksjon?

SiC brukes i stor utstrekning i elektriske kjøretøy (EV-er) for trekkraftinvertere og innebygde ladere, så vel som i infrastrukturapplikasjoner som DC hurtigladere, solcelleomformere, energilagringssystemer og avbruddsfri strømforsyning (UPS). Til tross for å ha vært brukt i masseproduksjon i over et århundre – først som et slipende materiale – har SiC også vist eksepsjonell ytelse i høyspennings- og høyeffektapplikasjoner.

Fra et fysiske egenskaper perspektiv,silisiumkarbidutviser høy termisk ledningsevne, høy mettet elektrondrifthastighet og et elektrisk nedbrytningsfelt (som vist i figur 1). Som et resultat kan systemer basert på silisiumkarbid redusere energitapene betydelig og oppnå raskere koblingshastigheter under drift. Sammenlignet med tradisjonelle silisium MOSFET- og IGBT-enheter, kan silisiumkarbid levere disse fordelene i mindre størrelser, og gir høyere effektivitet og overlegen ytelse.

Figur 1: Karakteristikk av silisium og materialer med bredt båndgap

Driften av silisiumkarbid kan overskride grensene forsilisium, med operative frekvenser høyere enn for silisium IGBT-er, og det kan også forbedre strømtettheten betydelig.

Figur 2: SiC vs Si

Hva Opportunities gjørSilisiumkarbidNåværende?

For produsenter oppfattes silisiumkarbid som et betydelig konkurransefortrinn. Det gir ikke bare muligheter til å konstruere energieffektive systemer, men reduserer også effektivt den totale størrelsen, vekten og kostnadene til disse systemene. Dette er fordi systemer som bruker silisiumkarbid generelt er mer energieffektive, kompakte og holdbare sammenlignet med silisiumbaserte systemer, noe som lar designere kutte kostnader ved å redusere størrelsen på passive komponenter. Mer spesifikt, på grunn av lavere varmegenerering av SiC-enheter, kan driftstemperaturen holdes under den for tradisjonelle løsninger, som vist i figur 3. Dette forbedrer systemets effektivitet samtidig som det øker påliteligheten og forlenger utstyrets levetid.

Figur 3: Fordeler med silisiumkarbidapplikasjoner

I design- og produksjonsfasen kan bruken av nye chip bonding-teknologier, som sintring, lette mer effektiv varmespredning og sikre tilkoblingspålitelighet. Sammenlignet med silisiumenheter kan SiC-enheter operere med høyere spenninger og tilby raskere byttehastigheter. Disse fordelene gjør det mulig for designere å revurdere hvordan de kan optimalisere funksjonalitet på systemnivå samtidig som kostnadskonkurranseevnen forbedres. For tiden bruker mange høyytelsesenheter SiC-teknologi, inkludert silisiumkarbiddioder, MOSFET-er og moduler.

Sammenlignet med silisiummaterialer åpner den overlegne ytelsen til SiC store muligheter for nye bruksområder. SiC-enheter er vanligvis designet for spenninger ikke mindre enn 650V, og spesielt over 1200V, blir SiC det foretrukne valget for mange applikasjoner. Applikasjoner som solcellevekselrettere, EV-ladestasjoner og industriell AC til DC-konvertering forventes å gradvis skifte mot SiC-teknologi. Et annet bruksområde er solid-state transformatorer, hvor eksisterende kobber- og magnetiske transformatorer gradvis vil bli erstattet av SiC-teknologi, noe som gir høyere effektivitet og pålitelighet i kraftoverføring og konvertering.

Hva produksjonsutfordringer gjørSilisiumkarbidAnsikt?

Selv om silisiumkarbid har et stort markedspotensial, står også produksjonsprosessen overfor flere utfordringer. I første omgang må renheten til råvarene – nemlig SiC-granulat eller pulver – sikres. Etter dette krever produksjonen av svært konsistente SiC-barrer (som vist i figur 4) akkumulering av erfaring ved hvert påfølgende behandlingstrinn for å sikre sluttproduktets pålitelighet (som vist i figur 5).

En unik utfordring med SiC er at den ikke har en flytende fase, noe som betyr at den ikke kan dyrkes ved bruk av tradisjonelle smeltemetoder. Krystallvekst må skje under presist kontrollert trykk, noe som gjør SiC-produksjon mer kompleks enn silisium. Dersom stabiliteten opprettholdes i miljøer med høy temperatur og lavt trykk, vil SiC dekomponere direkte til gassformige stoffer uten å gjennomgå en væskefase.

På grunn av denne egenskapen bruker SiC-krystallvekst typisk sublimering eller fysisk damptransport (PVT) teknikker. I denne prosessen plasseres SiC-pulver i en digel inne i en ovn og varmes opp til høye temperaturer (over 2200°C). Når SiC sublimerer, krystalliserer det på en frøkrystall for å danne en krystall. En avgjørende del av PVT-vekstmetoden er frøkrystallen, hvis diameter er lik den til ingoten. Spesielt er veksthastigheten til PVT-prosessen veldig langsom, omtrent 0,1 til 0,5 millimeter per time.

Figur 4: Silisiumkarbidpulver, ingots og wafers

På grunn av SiCs ekstreme hardhet sammenlignet med silisium, eroblatproduksjonsprosessen er også mer kompleks. SiC er et usedvanlig hardt materiale, noe som gjør det utfordrende å kutte selv med diamantsager, en hardhet som skiller det fra mange andre halvledermaterialer. Selv om det for tiden eksisterer flere metoder for å skjære blokker i wafere, kan disse metodene potensielt introdusere defekter i enkeltkrystallen, noe som påvirker den endelige materialkvaliteten.

Figur 5: Produksjonsprosess for silisiumkarbid fra råvarer til sluttprodukter

Dessuten møter storskalaproduksjonen av SiC også utfordringer. SiC har iboende flere defekter sammenlignet med silisium. Dopingprosessen er svært kompleks, og å produsere store, lavdefekte SiC-skiver innebærer høyere produksjons- og prosesseringskostnader. Derfor er det avgjørende å etablere en effektiv og streng utviklingsprosess fra starten for å sikre konsekvent produksjon av høykvalitetsprodukter.

Figur 6: Utfordringer - Silisiumkarbidskiver og defekter

Vi i Semicorex er spesialister påSiC/TaC-belagt grafittløsninger som brukes i SiC-halvlederproduksjon, hvis du har spørsmål eller trenger ytterligere detaljer, ikke nøl med å ta kontakt med oss.

Kontakttelefon: +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com