Производители на чипове от силициев карбид

Предвижда се през следващото десетилетие чиповете от силициев карбид да претърпят бързо развитие като ключови компоненти в електрическите превозни средства, зарядните станции и електроснабдителните предприятия. Но увеличаването на производството понякога може да се окаже предизвикателство.

Wolfspeed, STMicroelectronics и Allegro MicroSystems съобщиха за проблеми, свързани с производството на SiC, в съобщенията си за приходите тази седмица и в резултат на това акциите им спаднаха значително.

1. Алфа карбид

Силициевият карбид е твърд материал с оценка по скалата на Моос от 9,5, отстъпваща само на диаманта. Той се отличава с висока якост на натиск и опън, отлична химическа стабилност и нисък коефициент на термично разширение, което го прави подходящ за приложения, устойчиви на износване и рязане, както и с добри механични свойства и изключително висока температура на топене, които го правят относително устойчив на топлина и окисляване.

Шлифовъчните дискове и режещите инструменти често използват този универсален материал, често за производство на шлифовъчни дискове с полирани дискове за обработка на камък, стъкло, керамика, чугун и цветни метали. Освен това той често се избира като материал при рязане и полиране на високотемпературни материали като волфрам и рений.

Силициевият карбид се предлага в черни и зелени разновидности; и двете разновидности са алфа силициев карбид (a-SiC). И двете форми се използват често в промишлеността, тъй като предлагат по-ниски разходи в сравнение с по-висококачествената му спечена версия. Алфа-SiC се характеризира с хексагонална кристална структура, подобна на тази на вурцита; образуването му се извършва при температури над 1700 градуса по Целзий; здравината му превъзхожда тази на боровия карбид и притежава изключителна химическа устойчивост.

Бета силициевият карбид (b-SiC) е форма на силициев карбид с кубична кристална структура, която го прави подходящ за синтероване в различни форми чрез методи като суха преса, гореща изостатична преса или инжекционно формоване. Тези характеристики позволяват оформянето му в сложни конструкции, без да се нарушава здравината или издръжливостта. Така че той е идеален материал за високотемпературни, износоустойчиви приложения, като части за класификатори и трошачки, дюзи за пръскане и бластиране и топлоустойчиви компоненти, като тигли за топене на метали и електрически пещи. Освен това силовите полупроводници от силициев карбид се превърнаха в предпочитан материал в хибридните електрически превозни средства, за да се увеличи горивната ефективност, като същевременно се намали сложността на системите за охлаждане на батериите.

2. Бета карбид

Силициевият карбид е един от най-твърдите материали на Земята и за рязането му са необходими остриета с диамантени върхове. Среща се в природата като минерални залежи от моисанит, но по-често се произвежда синтетично. Силициевият карбид е широколентов полупроводник, способен да работи при по-високи температури и напрежения от силициевите или германиевите полупроводници, и е отличен избор на материал за силови електронни устройства, като например светодиоди.

Бета-сикът на GNPGraystar е иновативна форма на SiC с кубична кристална структура, подобна на цинковия бленд. Този керамичен материал предлага отлична химическа стабилност, висока топлопроводимост, нисък коефициент на термично разширение, широка честота на отваряне на лентовата междина, скорост на електро дрейф и електронна подвижност, които го правят подходящ за електронната промишленост, приложения за прецизна обработка, както и за военна/космическа употреба, висококачествени огнеупори и специални керамични приложения.

Кристалната структура на Beta-SiC го прави изключително еластичен материал, който може да издържа на износване, удар и топлинно увреждане. Благодарение на това свойство той отдавна се използва като балистична защита срещу умерени и тежки заплахи, както и за много други промишлени приложения, включително за шлифоване, рязане и полиране.

Бета-SiC се отличава от алфа силициевия карбид с много по-ниска плътност, което го прави подходящ за използване в абразивни приложения, без да уврежда нито инструмента, нито детайла. Освен това, поради високата си температура на топене и характеристиките си за твърдост, той може лесно да се стопи или да се слее с материали като метали и пластмаси, което го прави привлекателен материал за операции по рязане и шлифоване. Освен това той има голям потенциал в системите за управление на високоволтови батерии в електрическите превозни средства; с потенциала си да подобри ефективността на зареждане, като същевременно намали потреблението на енергия и разходите; потенциално разширява обхвата на превозните средства, като същевременно намалява и техния размер/разходи.

3. N-тип

Силицият отдавна е основният материал в производството на електроника, но това скоро може да се промени. Широколентовият полупроводник силициев карбид (SiC) се превърна в сериозен съперник и използването му на пазарите на мощни полупроводници нараства. Чиповете SiC предлагат предимства пред силиция по отношение на по-висока ефективност и по-ниски напрежения, както и по-малки конструкции на компонентите, които подобряват енергийната ефективност, като същевременно намаляват изискванията за охлаждане.

Най-разпространеното приложение на силициевия карбид през 2021 г. са силовите полупроводници, като над 75% пазарен дял се пада на използването им в силовите полупроводници. Тяхната по-широка лентова междина прави SiC идеален за високоскоростни и мощни превключващи приложения, като инвертори, бордови зарядни устройства, DC-DC преобразуватели, задвижващи системи за хибридни електрически превозни средства и системи за възстановяване на енергия. Освен това техните енергоспестяващи свойства позволяват на водачите да увеличат пробега с едно зареждане, като същевременно съкращават времето за зареждане и подобряват икономията на гориво - което допълнително превръща полупроводниците от силициев карбид в материал.

С нарастването на търсенето на SiC няколко компании обявиха големи инвестиции. През март Wolfspeed обяви откриването на Производствения център за силициев карбид "Джон Палмур" в Дърам, Северна Каролина, който ще произвежда 200-милиметрови (8-инчови) пластини - почти два пъти по-големи от традиционните 6-инчови пластини - за да отговори на увеличението на производството, необходимо за поддържане на производството на силови устройства и други високоскоростни полупроводници, произведени със SiC.

Невътрешният силициев карбид е най-разпространеният съставен полупроводников материал, който се отличава с повече от 200 разновидности, базирани на модела на повторение на структурата на слоя и други фактори. Докато чистият силиций се среща в природата и с него се работи лесно, N-тип силициев карбид изисква легиране с елементи като фосфор или арсен, за да стане полезен като полупроводник, тъй като това ще осигури електроните, необходими за провеждане на електричество през него.

4. Тип P

Полупроводниците от тип P от силициев карбид се превърнаха в отличен заместител на традиционния силиций. Благодарение на широката си лентова междина силициевият карбид от тип P може да работи при по-високи температури и честоти на превключване, като същевременно намалява загубите на мощност при високи напрежения - което го прави отличен избор за използване в захранващите компоненти на електромобилите (ЕПС), като инвертори, зарядни устройства и допълнителни товари.

Но нарастващото търсене на захранващи устройства, изработени от силициев карбид, стимулира широкото им внедряване в промишлеността, което води до значителен ръст на световния пазар на захранващи устройства от силициев карбид през последните години и се очаква да продължи да нараства и след 2024 г., тъй като инвестициите в различни проекти продължават.

Силициевият карбид (SiC) от тип P, за разлика от по-разпространения му вариант от тип N, в който основният съставен елемент е бор, съдържа по-устойчиви на светлина фосфорни атоми, което води до по-дълъг живот на носителите в слънчевите панели - само това предимство направи производството на SiC от тип P привлекателно за много производители през последните години.

Наскоро Bosch обяви, че ще започне производство на SiC чипове в завода си в Роузвил, Калифорния, като използва съществуващите чисти помещения и квалифицирана работна ръка; за да се приспособи към по-сложната обработка, изисквана от обработката на силициев карбид, обаче, в завода трябваше да се монтира допълнително оборудване.

Заводът на Wolfspeed ще се специализира в производството на 200-милиметрови (8-инчови) пластини, които са 1,7 пъти по-големи от стандартните 150-милиметрови (6-инчови) пластини и ще позволят производството на силови полупроводници за електрически превозни средства (EV), 5G комуникации и приложения за изкуствен интелект. Освен това това съоръжение ще има капацитет за производство на SiC MOSFET транзистори - което допълнително ще засили конкурентното им предимство.

5. 10 инча и повече

Полупроводниците от силициев карбид (SiC) стават все по-популярен избор за различни приложения в целия свят. Една от забележителните употреби на SiC полупроводниците е в индустрията на електрическите превозни средства, където тяхната ефективна обработка на енергията осигурява намаляване на енергийните загуби и по-бързо зареждане. Освен това технологията SiC спомага за подобряване на мерките за безопасност при управлението на батериите, както и за осигуряване на по-добра защита на батериите.

По-широката разделителна ивица на SiC му позволява да издържа на по-високи напрежения и температури в сравнение със силиция. Лентовата междина се отнася до енергийната разлика, необходима на електроните да преминат от валентната лента на атома в неговата проводяща лента; проводниците обикновено имат тесни лентови междини, а изолаторите - по-големи; устройствата, работещи при по-високи напрежения и температури, както и при по-голяма плътност на мощността, могат да се възползват от тези по-широки междини.

SiC може да удължи пробега на автомобила чрез подобряване на ефективността на инверторната система, която преобразува постоянния ток от батериите в променлив ток за работа на двигателите, а високата скорост на превключване подпомага процесите на бързо зареждане, необходими за BEV. Освен това SiC намалява размерите и теглото на системите за управление на батериите, което намалява разходите, свързани с покупката на електромобил.

Правителственият натиск за намаляване на емисиите, в съчетание с популярността на BEV, стимулира масовото използване на силициев карбид и други технологии с широка разделителна способност. Като част от това движение Wolfspeed, един от най-големите производители на базови SiC пластини, е в челните редици и скоро ще модернизира своето предприятие в Роузвил за производство на 200-милиметрови пластини, като използва системата за проверка на дефекти MTI Instruments Proforma 300iSA, за да увеличи добива и същевременно да намали разходите.