شركات تصنيع رقاقات كربيد السيليكون

من المتوقع أن تشهد رقائق كربيد السيليكون نمواً سريعاً خلال العقد المقبل باعتبارها مكونات أساسية في السيارات الكهربائية ومحطات الشحن ومرافق الطاقة الكهربائية. لكن زيادة حجم الإنتاج قد تشكل أحياناً تحدياً.

أعلنت كل من «وولفسبيد» و«إس تي مايكروإلكترونيكس» و«أليجرو مايكروسيستمز» عن مشكلات تتعلق بإنتاج كربيد السيليكون (SiC) في تقارير أرباحها الصادرة هذا الأسبوع، مما أدى بالتالي إلى انخفاض أسهمها انخفاضًا كبيرًا.

1. كربيد ألفا

كربيد السيليكون مادة صلبة تبلغ درجة صلابتها على مقياس موس 9.5، ولا يتفوق عليها في الصلابة سوى الماس. ويتميز بقوة ضغط وشد عالية، واستقرار كيميائي ممتاز، ومعامل تمدد حراري منخفض، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب مقاومة التآكل والقطع، فضلاً عن خصائصه الميكانيكية الجيدة ونقطة انصهاره العالية للغاية التي تجعله مقاومًا نسبيًا للحرارة والأكسدة.

غالبًا ما تُستخدم هذه المادة متعددة الاستخدامات في صناعة أقراص الصقل وأدوات القطع، لا سيما في إنتاج أقراص صقل مصقولة للاستخدام على الحجر والزجاج والسيراميك والحديد الزهر والمعادن غير الحديدية. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما يتم اختيارها باعتبارها المادة المفضلة عند قطع وصقل المواد التي تتحمل درجات حرارة عالية مثل التنغستن والرينيوم.

يتوفر كربيد السيليكون في نوعين: الأسود والأخضر؛ وكلاهما من أنواع كربيد السيليكون ألفا (a-SiC). ويُستخدم كلا النوعين بشكل شائع في التطبيقات الصناعية، حيث يقدمان تكاليف أقل مقارنةً بنسخته الملبدة ذات الجودة الأعلى. يتميز كربيد السيليكون ألفا (α-SiC) ببنية بلورية سداسية تشبه بنية الورتزيت؛ ويتشكل عند درجات حرارة تزيد عن 1700 درجة مئوية؛ وتفوق صلابته صلابة كربيد البورون، كما يتمتع بمقاومة كيميائية فائقة.

كربيد السيليكون بيتا (b-SiC) هو شكل من أشكال كربيد السيليكون ذو بنية بلورية مكعبة، مما يجعله مناسبًا للتلبيد في أشكال متنوعة عبر طرق مثل الضغط الجاف، أو الضغط الإيزوستاتيكي الساخن، أو القولبة بالحقن. وتسمح هذه الخصائص بتشكيله في تصميمات معقدة دون المساس بقوته أو متانته. لذلك فهو مادة مثالية للتطبيقات التي تتطلب درجات حرارة عالية ومقاومة للتآكل، مثل أجزاء أجهزة الفرز والكسارات، وفوهات الرش والسفع، والمكونات المقاومة للحرارة مثل بوتقات صهر المعادن والأفران الكهربائية. علاوة على ذلك، أصبحت أشباه الموصلات الكهربائية المصنوعة من كربيد السيليكون هي المادة المفضلة في السيارات الكهربائية الهجينة لزيادة كفاءة استهلاك الوقود مع تقليل تعقيد أنظمة تبريد البطاريات.

2. كربيد بيتا

يُعد كربيد السيليكون من أصعب المواد على وجه الأرض، ويتطلب استخدام شفرات ذات رؤوس ماسية لقطعه. ويوجد بشكل طبيعي في شكل رواسب معدنية من المويسانيت، لكن غالبًا ما يتم تصنيعه صناعيًّا. وباعتباره مادة شبه موصلة ذات فجوة طيفية واسعة قادرة على العمل عند درجات حرارة وجهد كهربائي أعلى من أشباه الموصلات المصنوعة من السيليكون أو الجرمانيوم، فإن كربيد السيليكون يُعد خيارًا ممتازًا للأجهزة الإلكترونية ذات الطاقة العالية مثل الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs).

يُعد مادة «بيتا سيك» (beta sic) من شركة GNPGraystar شكلاً مبتكراً من مادة كربيد السيليكون (SiC) ذات بنية بلورية مكعبة تشبه بنية «زنك بليند». تتميز هذه المادة الخزفية باستقرار كيميائي ممتاز، وموصلية حرارية عالية، ومعامل تمدد حراري منخفض، وفجوة طيفية واسعة، وسرعة انجراف كهربائي، وخصائص حركة إلكترونية تجعلها مناسبة لصناعة الإلكترونيات، وتطبيقات التصنيع الدقيق، فضلاً عن الاستخدامات العسكرية والفضائية، والمواد المقاومة للحرارة عالية الجودة، والتطبيقات الخزفية الخاصة.

إن البنية البلورية لـ Beta-SiC تجعله مادة شديدة المتانة، وقادرة على مقاومة التآكل والصدمات والأضرار الناتجة عن الحرارة. وبفضل هذه الخاصية، فقد استُخدم منذ فترة طويلة كحماية باليستية ضد التهديدات المتوسطة والشديدة، فضلاً عن استخدامه في العديد من التطبيقات الصناعية الأخرى، بما في ذلك تطبيقات الطحن والقطع والتلميع.

يتميز بيتا-SiC عن كربيد السيليكون ألفا بكثافة أقل بكثير، مما يجعله مناسبًا للاستخدام في التطبيقات الكاشطة دون الإضرار بالأداة أو قطعة العمل. علاوة على ذلك، وبفضل درجة انصهاره العالية وخصائصه الصلبة، يمكنه الانصهار بسهولة أو أن يُصهر مع مواد مثل المعادن والبلاستيك، مما يجعله مادة جذابة لعمليات القطع والطحن. علاوة على ذلك، يتمتع بإمكانيات كبيرة في أنظمة إدارة بطاريات الجهد العالي في المركبات الكهربائية؛ بفضل قدرته على تحسين كفاءة الشحن مع تقليل استهلاك الطاقة والتكاليف؛ مما قد يؤدي إلى توسيع نطاق المركبات مع تقليل حجمها وتكلفتها في الوقت نفسه.

3. النوع N

لطالما كان السيليكون المادة المفضلة في صناعة الإلكترونيات، لكن هذا الوضع قد يتغير قريبًا. فقد برز كربيد السيليكون (SiC)، وهو مادة شبه موصلة ذات فجوة طيفية واسعة، كمنافس قوي، ويتزايد استخدامه في أسواق أشباه الموصلات الكهربائية. وتتميز رقائق SiC بمزايا تفوق السيليكون من حيث الكفاءة الأعلى والجهد الكهربائي الأقل، فضلاً عن تصميمات المكونات الأصغر حجمًا التي تعزز كفاءة الطاقة مع تقليل متطلبات التبريد.

كان التطبيق الأكثر انتشارًا لكربيد السيليكون في عام 2021 هو أشباه الموصلات الكهربائية، حيث شكلت حصته السوقية التي تجاوزت 75% نسبة استخدامها في هذا المجال. تجعل فجوة النطاق الأوسع لـ SiC هذه المادة مثالية لتطبيقات التبديل عالية السرعة والطاقة مثل المحولات، وأجهزة الشحن المدمجة، ومحولات التيار المستمر إلى التيار المستمر، وأنظمة دفع المركبات الكهربائية الهجينة، وأنظمة استعادة الطاقة. علاوة على ذلك، تتيح خصائص توفير الطاقة التي يتمتع بها هذا المادة للسائقين زيادة مدى القيادة لكل شحنة مع تقصير أوقات الشحن وتحسين الاقتصاد في استهلاك الوقود – مما يجعل أشباه الموصلات المصنوعة من كربيد السيليكون هي المادة المثالية.

مع ارتفاع الطلب على كربيد السيليكون (SiC)، أعلنت عدة شركات عن استثمارات ضخمة. فقد أعلنت شركة «وولفسبيد» في مارس عن افتتاح «مركز جون بالمور للتصنيع» لكربيد السيليكون في دورهام، كارولينا الشمالية، والذي سينتج رقائق بحجم 200 مم (8 بوصات) – أي ما يقارب ضعف حجم الرقائق التقليدية التي يبلغ قطرها 6 بوصات – لتلبية الزيادة المطلوبة في الإنتاج لدعم تصنيع أجهزة الطاقة وأشباه الموصلات عالية السرعة الأخرى المصنوعة من كربيد السيليكون.

يُعد كربيد السيليكون غير المتأصل أكثر مواد أشباه الموصلات المركبة انتشارًا، حيث يضم أكثر من 200 نوعًا بناءً على نمط تكرار البنية الطبقية وعوامل أخرى. وفي حين أن السيليكون النقي موجود في الطبيعة ويسهل التعامل معه، فإن كربيد السيليكون من النوع N يتطلب إضافة عناصر مثل الفوسفور أو الزرنيخ ليصبح مفيدًا كأشباه موصل، حيث إن ذلك سيوفر الإلكترونات اللازمة لتوصيل الكهرباء عبره.

4. النوع P

أصبحت أشباه الموصلات المصنوعة من كربيد السيليكون من النوع P بديلاً ممتازًا للسيليكون التقليدي. ونظرًا لفجوة النطاق العريضة التي يتميز بها كربيد السيليكون من النوع P، فإنه يمكنه العمل عند درجات حرارة وترددات تبديل أعلى مع تقليل فقد الطاقة في الوقت نفسه عند الجهد العالي – مما يجعله خيارًا ممتازًا للاستخدام في مكونات الطاقة الخاصة بالسيارات الكهربائية (EV) مثل المحولات وأجهزة الشحن والأحمال المساعدة.

لكن الطلب المتزايد على أجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون يدفع إلى انتشار استخدامها على نطاق واسع في القطاع الصناعي، مما أدى إلى نمو حجم السوق العالمية لأجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون بشكل ملحوظ خلال السنوات الأخيرة، ومن المتوقع أن يستمر هذا النمو بعد عام 2024 مع استمرار الاستثمار في مشاريع متنوعة.

يحتوي كربيد السيليكون من النوع P (SiC)، على عكس النوع N الأكثر انتشارًا الذي يستخدم البورون كعنصر مكون رئيسي، على عدد أكبر من ذرات الفوسفور المقاومة للضوء، مما يؤدي إلى إطالة عمر حامل الشحنة في الألواح الشمسية — وقد جعلت هذه الميزة وحدها إنتاج كربيد السيليكون من النوع P أمرًا جذابًا للعديد من الشركات المصنعة في السنوات الأخيرة.

أعلنت شركة بوش مؤخرًا أنها ستبدأ في إنتاج رقائق كربيد السيليكون (SiC) في منشأتها الكائنة في روزفيل، بولاية كاليفورنيا، باستخدام غرف الأبحاث الحالية والقوى العاملة الماهرة؛ إلا أنه، من أجل تلبية متطلبات المعالجة الأكثر تعقيدًا التي تتطلبها رقائق كربيد السيليكون، كان لا بد من تحديث معدات المعالجة في المصنع.

سيتخصص مصنع «وولفسبيد» في تصنيع رقائق بحجم 200 مم (8 بوصات)، وهي أكبر بـ 1.7 مرة من الرقائق القياسية التي يبلغ حجمها 150 مم (6 بوصات)، وسيتيح إنتاج أشباه الموصلات الكهربائية المستخدمة في السيارات الكهربائية (EV) واتصالات الجيل الخامس (5G) وتطبيقات الذكاء الاصطناعي. علاوة على ذلك، ستتمتع هذه المنشأة بالقدرة على إنتاج ترانزستورات MOSFET من مادة كربيد السيليكون (SiC)، مما سيعزز ميزتها التنافسية بشكل أكبر.

5. 10 بوصات فأكثر

أصبحت أشباه الموصلات المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) خيارًا يزداد رواجًا في مختلف التطبيقات حول العالم. ويكمن أحد الاستخدامات البارزة لأشباه الموصلات المصنوعة من كربيد السيليكون في صناعة السيارات الكهربائية، حيث تساهم كفاءتها في معالجة الطاقة في تقليل فقدان الطاقة وتقصير مدة إعادة الشحن. علاوة على ذلك، تساعد تقنية كربيد السيليكون في تحسين تدابير السلامة المتعلقة بالتحكم في البطاريات، فضلاً عن توفير حماية أكبر للبطاريات.

تسمح فجوة النطاق الأوسع في مادة SiC لها بتحمل جهد كهربائي ودرجات حرارة أعلى مقارنة بالسيليكون. ويشير مصطلح «فجوة النطاق» إلى الفجوة الطاقية اللازمة لانتقال الإلكترونات من نطاق التكافؤ في الذرة إلى نطاق التوصيل؛ وعادةً ما تتميز الموصلات بفجوات نطاق ضيقة، في حين تتميز العوازل بفجوات نطاق أوسع؛ ويمكن للأجهزة التي تعمل بجهد كهربائي ودرجات حرارة أعلى، فضلاً عن كثافات طاقة أكبر، أن تستفيد من هذه الفجوات الأوسع.

يمكن لـ SiC زيادة مدى قيادة السيارة من خلال تحسين كفاءة نظام العاكس الخاص بها – الذي يحول التيار المستمر من البطاريات إلى تيار متردد لتشغيل المحركات – حيث تساعد سرعة التبديل العالية التي يتميز بها على تسريع عمليات الشحن السريع الضرورية للسيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات (BEVs). علاوة على ذلك، يقلل SiC من حجم ووزن أنظمة إدارة البطاريات، مما يقلل التكاليف المرتبطة بشراء السيارات الكهربائية.

إن الضغوط الحكومية الرامية إلى خفض الانبعاثات، إلى جانب شعبية السيارات الكهربائية (BEV)، تدفع بتقنيات كربيد السيليكون وغيرها من تقنيات الفجوة العريضة إلى الاستخدام السائد. وفي إطار هذه الاتجاهات، تحتل شركة «وولفسبيد» (Wolfspeed)، وهي إحدى أكبر الشركات المنتجة لرقائق كربيد السيليكون (SiC) الأساسية، مكانة رائدة في هذا المجال، وستقوم قريبًا بتحديث منشأتها في روزفيل لإنتاج رقائق مقاس 200 مم، مع استخدام نظام فحص العيوب «بروفورما 300iSA» (Proforma 300iSA) من شركة «إم تي آي إنسترومنتس» (MTI Instruments) لزيادة معدل الإنتاجية مع خفض التكاليف.