Jakie wyzwania wiążą się z produkcją SiC?

SiC jest szeroko stosowany w pojazdach elektrycznych (EV) do falowników trakcyjnych i ładowarek pokładowych, a także w zastosowaniach infrastrukturalnych, takich jak szybkie ładowarki prądu stałego, falowniki słoneczne, systemy magazynowania energii i zasilacze bezprzerwowe (UPS). Pomimo tego, że SiC był używany w masowej produkcji od ponad stulecia – początkowo jako materiał ścierny – SiC wykazał się również wyjątkową wydajnością w zastosowaniach wysokiego napięcia i dużej mocy.

Z punktu widzenia właściwości fizycznych,węglik krzemuwykazuje wysoką przewodność cieplną, wysoką prędkość dryfu nasyconych elektronów i silne pole elektryczne przebicia (jak pokazano na rysunku 1). Dzięki temu systemy oparte na węgliku krzemu mogą znacznie ograniczyć straty energii i osiągnąć szybsze prędkości przełączania podczas pracy. W porównaniu z tradycyjnymi krzemowymi urządzeniami MOSFET i IGBT, węglik krzemu może zapewnić te zalety w mniejszych rozmiarach, oferując wyższą wydajność i doskonałą wydajność.

Rysunek 1: Charakterystyka materiałów krzemowych i materiałów o szerokiej przerwie energetycznej

Działanie węglika krzemu może przekraczać granicekrzem, o częstotliwościach roboczych wyższych niż krzemowe tranzystory IGBT, a także może znacznie zwiększyć gęstość mocy.

Rysunek 2: SiC vs Si

Jakie możliwości dajeWęglik krzemuObecny?

Dla producentów węglik krzemu jest postrzegany jako znacząca przewaga konkurencyjna. Zapewnia nie tylko możliwości konstruowania energooszczędnych systemów, ale także skutecznie zmniejsza całkowity rozmiar, wagę i koszt tych systemów. Dzieje się tak dlatego, że systemy wykorzystujące węglik krzemu są na ogół bardziej energooszczędne, kompaktowe i trwałe w porównaniu z systemami opartymi na krzemie, co pozwala projektantom obniżyć koszty poprzez zmniejszenie rozmiaru elementów pasywnych. Mówiąc dokładniej, ze względu na mniejsze wytwarzanie ciepła przez urządzenia SiC, temperaturę roboczą można utrzymać poniżej temperatury tradycyjnych rozwiązań, jak pokazano na rysunku 3. Zwiększa to wydajność systemu, jednocześnie zwiększając niezawodność i wydłużając żywotność sprzętu.

Rysunek 3: Zalety zastosowań węglika krzemu

Zastosowanie nowych technologii łączenia wiórów, takich jak spiekanie, na etapie projektowania i produkcji może ułatwić skuteczniejsze odprowadzanie ciepła i zapewnić niezawodność połączenia. W porównaniu do urządzeń krzemowych, urządzenia SiC mogą pracować przy wyższych napięciach i oferują szybsze prędkości przełączania. Zalety te pozwalają projektantom przemyśleć na nowo, w jaki sposób zoptymalizować funkcjonalność na poziomie systemu, jednocześnie zwiększając konkurencyjność kosztową. Obecnie wiele urządzeń o wysokiej wydajności wykorzystuje technologię SiC, w tym diody z węglika krzemu, tranzystory MOSFET i moduły.

W porównaniu z materiałami krzemowymi, doskonała wydajność SiC otwiera szerokie perspektywy dla nowych zastosowań. Urządzenia SiC są zwykle projektowane na napięcia nie mniejsze niż 650 V, a zwłaszcza powyżej 1200 V. SiC staje się preferowanym wyborem w wielu zastosowaniach. Oczekuje się, że zastosowania takie jak falowniki słoneczne, stacje ładowania pojazdów elektrycznych i przemysłowa konwersja prądu przemiennego na prąd stały będą stopniowo przesuwać się w stronę technologii SiC. Innym obszarem zastosowań są transformatory półprzewodnikowe, w których istniejące transformatory miedziane i magnetyczne będą stopniowo zastępowane technologią SiC, oferującą wyższą wydajność i niezawodność w przesyłaniu i konwersji mocy.

Co robią wyzwania produkcyjneWęglik krzemuTwarz?

Chociaż węglik krzemu ma ogromny potencjał rynkowy, proces jego produkcji również stoi przed kilkoma wyzwaniami. Na początku należy zapewnić czystość surowców – mianowicie granulatów lub proszków SiC. W związku z tym produkcja wysoce spójnych wlewków SiC (jak pokazano na rysunku 4) wymaga gromadzenia doświadczenia na każdym kolejnym etapie przetwarzania, aby zapewnić niezawodność produktu końcowego (jak pokazano na rysunku 5).

Wyjątkowym wyzwaniem związanym z SiC jest to, że nie posiada on fazy ciekłej, co oznacza, że ​​nie można go hodować tradycyjnymi metodami topienia. Wzrost kryształów musi zachodzić pod precyzyjnie kontrolowanym ciśnieniem, co sprawia, że ​​produkcja SiC jest bardziej złożona niż krzemu. Jeśli stabilność zostanie utrzymana w środowiskach o wysokiej temperaturze i niskim ciśnieniu, SiC ulegnie bezpośredniemu rozkładowi na substancje gazowe, bez przechodzenia do fazy ciekłej.

Ze względu na tę cechę przy hodowli kryształów SiC zazwyczaj wykorzystuje się techniki sublimacji lub fizycznego transportu pary (PVT). W procesie tym proszek SiC umieszcza się w tyglu wewnątrz pieca i podgrzewa do wysokich temperatur (przekraczających 2200°C). Gdy SiC sublimuje, krystalizuje na krysztale zaszczepiającym, tworząc kryształ. Istotną częścią metody wzrostu PVT jest kryształ zaszczepiający, którego średnica jest podobna do średnicy wlewka. Warto zauważyć, że tempo wzrostu procesu PVT jest bardzo powolne i wynosi około 0,1 do 0,5 milimetra na godzinę.

Rysunek 4: Proszek węglika krzemu, wlewki i wafle

Ze względu na wyjątkową twardość SiC w porównaniu z krzemem,opłatekproces produkcyjny jest również bardziej złożony. SiC to wyjątkowo twardy materiał, przez co trudno go ciąć nawet piłami diamentowymi, a twardość odróżnia go od wielu innych materiałów półprzewodnikowych. Chociaż obecnie istnieje kilka metod krojenia wlewków na płytki, metody te mogą potencjalnie wprowadzić defekty do monokryształu, wpływając na ostateczną jakość materiału.

Rysunek 5: Proces produkcyjny węglika krzemu od surowców do produktów końcowych

Co więcej, produkcja SiC na dużą skalę również napotyka wyzwania. SiC z natury ma więcej defektów w porównaniu do krzemu. Proces domieszkowania jest bardzo złożony, a produkcja wielkogabarytowych płytek SiC o niskiej defektach wiąże się z wyższymi kosztami produkcji i przetwarzania. Dlatego też ustanowienie od samego początku wydajnego i rygorystycznego procesu rozwoju ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia spójnej produkcji produktów wysokiej jakości.

Rysunek 6: Wyzwania – płytki i defekty z węglika krzemu

W Semicorex specjalizujemy sięGrafit pokryty SiC/TaCrozwiązań stosowanych w produkcji półprzewodników SiC, jeśli masz jakiekolwiek pytania lub potrzebujesz dodatkowych szczegółów, nie wahaj się z nami skontaktować.

Telefon kontaktowy: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com