Kakšni izzivi so vključeni v proizvodnjo SiC?

SiC se v veliki meri uporablja v električnih vozilih (EV) za vlečne pretvornike in vgrajene polnilnike, pa tudi v infrastrukturnih aplikacijah, kot so hitri polnilniki z enosmernim tokom, solarni pretvorniki, sistemi za shranjevanje energije in napajalniki brez prekinitve (UPS). Kljub temu, da se je SiC uporabljal v masovni proizvodnji že več kot stoletje – sprva kot abrazivni material – je SiC izkazal tudi izjemno zmogljivost pri visokonapetostnih in močnih aplikacijah.

Z vidika fizikalnih lastnosti,silicijev karbidima visoko toplotno prevodnost, visoko nasičeno hitrost drifta elektronov in visoko prebojno električno polje (kot je prikazano na sliki 1). Posledično lahko sistemi na osnovi silicijevega karbida znatno zmanjšajo izgube energije in dosežejo večje hitrosti preklopa med delovanjem. V primerjavi s tradicionalnimi silicijevimi napravami MOSFET in IGBT lahko silicijev karbid zagotovi te prednosti v manjših velikostih, ki ponujajo večjo učinkovitost in vrhunsko zmogljivost.

Slika 1: Značilnosti silicija in materialov s široko pasovno vrzeljo

Delovanje silicijevega karbida lahko preseže mejesilicij, z delovnimi frekvencami, ki so višje od tistih pri silicijevih IGBT-jih, poleg tega pa lahko znatno poveča gostoto moči.

Slika 2: SiC proti Si

Kaj počne OpportunitiesSilicijev karbidprisoten?

Proizvajalci silicijev karbid dojemajo kot pomembno konkurenčno prednost. Ne ponuja le priložnosti za gradnjo energetsko učinkovitih sistemov, ampak tudi učinkovito zmanjša celotno velikost, težo in stroške teh sistemov. To je zato, ker so sistemi, ki uporabljajo silicijev karbid, na splošno bolj energetsko učinkoviti, kompaktni in vzdržljivi v primerjavi s sistemi na osnovi silicija, kar oblikovalcem omogoča zmanjšanje stroškov z zmanjšanjem velikosti pasivnih komponent. Natančneje, zaradi nižjega proizvajanja toplote naprav iz SiC je mogoče vzdrževati delovno temperaturo pod temperaturo tradicionalnih rešitev, kot je prikazano na sliki 3. To poveča učinkovitost sistema, hkrati pa poveča zanesljivost in podaljša življenjsko dobo opreme.

Slika 3: Prednosti uporabe silicijevega karbida

V fazi načrtovanja in izdelave lahko sprejetje novih tehnologij lepljenja čipov, kot je sintranje, olajša učinkovitejše odvajanje toplote in zagotovi zanesljivost povezave. V primerjavi s silicijevimi napravami lahko naprave SiC delujejo pri višjih napetostih in nudijo večje hitrosti preklapljanja. Te prednosti omogočajo oblikovalcem, da ponovno razmislijo o tem, kako optimizirati funkcionalnost na sistemski ravni, hkrati pa povečati stroškovno konkurenčnost. Trenutno veliko visoko zmogljivih naprav uporablja tehnologijo SiC, vključno z diodami iz silicijevega karbida, MOSFET-ji in moduli.

V primerjavi s silicijevimi materiali vrhunska zmogljivost SiC odpira široke možnosti za nastajajoče aplikacije. SiC naprave so običajno zasnovane za napetosti, ki niso nižje od 650 V, zlasti nad 1200 V, SiC postane prednostna izbira za številne aplikacije. Pričakuje se, da se bodo aplikacije, kot so solarni pretvorniki, polnilne postaje za električna vozila in industrijska pretvorba izmeničnega v enosmerni tok, postopoma preusmerile na tehnologijo SiC. Drugo področje uporabe so polprevodniški transformatorji, kjer bo obstoječe bakrene in magnetne transformatorje postopoma nadomestila tehnologija SiC, ki bo nudila večjo učinkovitost in zanesljivost pri prenosu in pretvorbi električne energije.

Kaj povzročajo proizvodni izziviSilicijev karbidObraz?

Čeprav ima silicijev karbid velik tržni potencial, se tudi njegov proizvodni proces sooča s številnimi izzivi. Na začetku je treba zagotoviti čistost surovin – in sicer zrnc ali prahu SiC. Po tem proizvodnja zelo konsistentnih ingotov SiC (kot je prikazano na sliki 4) zahteva kopičenje izkušenj na vsaki naslednji stopnji obdelave, da se zagotovi zanesljivost končnega izdelka (kot je prikazano na sliki 5).

Edinstven izziv SiC je, da nima tekoče faze, kar pomeni, da ga ni mogoče gojiti s tradicionalnimi metodami taljenja. Rast kristalov mora potekati pod natančno nadzorovanimi pritiski, zaradi česar je proizvodnja SiC bolj zapletena kot proizvodnja silicija. Če se ohranja stabilnost v okoljih z visoko temperaturo in nizkim tlakom, bo SiC neposredno razpadel v plinaste snovi, ne da bi prešel v tekočo fazo.

Zaradi te lastnosti rast kristalov SiC običajno uporablja tehnike sublimacije ali fizičnega prenosa pare (PVT). V tem procesu se prah SiC postavi v lonček znotraj peči in segreje na visoke temperature (nad 2200 °C). Ko SiC sublimira, kristalizira na zarodnem kristalu in tvori kristal. Ključni del metode rasti PVT je zarodni kristal, katerega premer je podoben premeru ingota. Predvsem je hitrost rasti procesa PVT zelo počasna, približno 0,1 do 0,5 milimetra na uro.

Slika 4: Prah, ingoti in rezine silicijevega karbida

Zaradi izjemne trdote SiC v primerjavi s silicijem jeoblatbolj zapleten je tudi proizvodni proces. SiC je izjemno trd material, zato ga je težko rezati tudi z diamantnimi žagami, trdota, ki ga ločuje od mnogih drugih polprevodniških materialov. Čeprav trenutno obstaja več metod za rezanje ingotov v rezine, lahko te metode povzročijo napake v monokristalu, kar vpliva na končno kakovost materiala.

Slika 5: Proizvodni proces silicijevega karbida od surovin do končnih izdelkov

Poleg tega se obsežna proizvodnja SiC prav tako srečuje z izzivi. SiC ima sam po sebi več napak v primerjavi s silicijem. Njegov postopek dopinga je zelo zapleten, proizvodnja velikih SiC rezin z nizkimi napakami pa pomeni višje proizvodne in predelovalne stroške. Zato je vzpostavitev učinkovitega in strogega razvojnega procesa od samega začetka ključnega pomena za zagotovitev dosledne proizvodnje visokokakovostnih izdelkov.

Slika 6: Izzivi - rezine iz silicijevega karbida in napake

V podjetju Semicorex smo specializirani zaSiC/TaC prevlečen grafitrešitve, ki se uporabljajo v proizvodnji polprevodnikov SiC, če imate kakršna koli vprašanja ali potrebujete dodatne podrobnosti, ne oklevajte in stopite v stik z nami.

Kontaktni telefon: +86-13567891907

E-pošta: sales@semicorex.com