Fabricants de puces en carbure de silicium

Les puces en carbure de silicium devraient connaître une expansion rapide au cours de la prochaine décennie en tant que composants clés des véhicules électriques, des stations de recharge et des centrales électriques. Mais l'augmentation de la production peut parfois s'avérer difficile.

Wolfspeed, STMicroelectronics et Allegro MicroSystems ont tous signalé des problèmes liés à la production de carbure de silicium dans leurs communiqués de résultats de cette semaine et ont donc vu leurs actions chuter de manière significative.

1. Alpha Carbide

Le carbure de silicium est un matériau dur dont l'indice sur l'échelle de Mohs est de 9,5, le deuxième après le diamant. Il présente une résistance élevée à la compression et à la traction, une excellente stabilité chimique et un faible coefficient de dilatation thermique, ce qui le rend adapté à des applications résistantes à l'usure et à la coupure, ainsi que de bonnes propriétés mécaniques et un point de fusion extrêmement élevé qui le rendent relativement résistant à la chaleur et à l'oxydation.

Les meules et les outils de coupe utilisent souvent ce matériau polyvalent, notamment pour produire des meules polies destinées à la pierre, au verre, à la céramique, à la fonte et aux métaux non ferreux. En outre, il est souvent choisi comme matériau de choix pour la coupe et le polissage de matériaux à haute température comme le tungstène et le rhénium.

Le carbure de silicium existe en noir et en vert, deux variétés de carbure de silicium alpha (a-SiC). Ces deux formes sont couramment utilisées dans l'industrie car elles sont moins coûteuses que leur version frittée de qualité supérieure. Le carbure de silicium alpha présente une structure cristalline hexagonale similaire à celle de la wurtzite ; il se forme à des températures supérieures à 1 700 degrés Celsius ; sa ténacité est supérieure à celle du carbure de bore et il possède une résistance chimique supérieure.

Le carbure de silicium bêta (b-SiC) est une forme de carbure de silicium à structure cristalline cubique, ce qui le rend apte à être fritté en diverses formes par des méthodes telles que la presse à sec, la presse isostatique à chaud ou le moulage par injection. Ces caractéristiques lui permettent de prendre des formes complexes sans compromettre la résistance ou la durabilité. Il s'agit donc d'un matériau idéal pour les applications à haute température et résistantes à l'usure, telles que les pièces de classificateurs et de concasseurs, les buses de pulvérisation et de sablage et les composants résistants à la chaleur, tels que les creusets de fusion des métaux et les fours électriques. En outre, les semi-conducteurs de puissance en carbure de silicium sont devenus le matériau de choix pour les véhicules électriques hybrides afin d'accroître l'efficacité énergétique tout en réduisant la complexité des systèmes de refroidissement des batteries.

2. Carbure de Bêta

Le carbure de silicium est l'un des matériaux les plus durs sur terre et nécessite des lames à pointe de diamant pour le couper. On le trouve à l'état naturel dans les dépôts minéraux de moissanite, mais il est plus souvent fabriqué synthétiquement. Semi-conducteur à large bande interdite capable de fonctionner à des températures et des tensions plus élevées que les semi-conducteurs en silicium ou en germanium, le carbure de silicium constitue un excellent choix de matériau pour les dispositifs électroniques de puissance tels que les diodes électroluminescentes (DEL).

Le bêta sic de GNPGraystar est une forme innovante de SiC dont la structure cristalline cubique est similaire à celle de la blende de zinc. Ce matériau céramique présente une excellente stabilité chimique, une conductivité thermique élevée, un faible coefficient de dilatation thermique, une large bande interdite, une fréquence d'ouverture, une vitesse d'électrodérive et des propriétés de mobilité électronique qui le rendent adapté à l'industrie électronique, aux applications d'usinage de précision ainsi qu'à l'utilisation militaire/aérospatiale, aux réfractaires de haute qualité et aux applications céramiques spéciales.

La structure cristalline du Beta-SiC en fait un matériau très résistant, capable de supporter l'abrasion, les chocs et les dommages causés par la chaleur. Grâce à cette propriété, il est utilisé depuis longtemps comme protection balistique contre les menaces modérées et lourdes, ainsi que pour de nombreuses autres utilisations industrielles, notamment les applications de meulage, de découpe et de polissage.

Le carbure de silicium bêta se distingue du carbure de silicium alpha par une densité beaucoup plus faible, ce qui permet de l'utiliser dans des applications abrasives sans endommager l'outil ou la pièce à usiner. En outre, en raison de son point de fusion élevé et de ses caractéristiques de dureté, il peut facilement fusionner ou être fusionné avec des matériaux tels que les métaux et les plastiques, ce qui en fait un matériau intéressant pour les opérations de coupe et de meulage. En outre, il présente un grand potentiel dans les systèmes de gestion des batteries haute tension des véhicules électriques, car il permet d'améliorer l'efficacité de la charge tout en réduisant la consommation d'énergie et les coûts, ce qui pourrait accroître l'autonomie des véhicules tout en réduisant leur taille et leur coût.

3. Type N

Le silicium a longtemps été le matériau de prédilection de la fabrication électronique, mais cela pourrait bientôt changer. Le carbure de silicium (SiC), semi-conducteur à large bande passante, s'est imposé comme un rival redoutable et son utilisation sur les marchés des semi-conducteurs de puissance est en pleine expansion. Les puces SiC offrent des avantages par rapport au silicium en termes de rendement plus élevé et de tensions plus basses, ainsi que des composants plus petits qui améliorent l'efficacité énergétique tout en réduisant les besoins de refroidissement.

L'application la plus répandue du carbure de silicium en 2021 était les semi-conducteurs de puissance, avec plus de 75% de part de marché pour leur utilisation dans les semi-conducteurs de puissance. Grâce à sa bande interdite plus large, le carbure de silicium est idéal pour les applications de commutation de puissance et à grande vitesse, telles que les onduleurs, les chargeurs embarqués, les convertisseurs DC-DC, les groupes motopropulseurs des véhicules électriques hybrides et les systèmes de récupération d'énergie. En outre, leurs propriétés d'économie d'énergie permettent aux conducteurs d'augmenter l'autonomie par charge tout en réduisant les temps de charge et en améliorant l'économie de carburant, ce qui fait des semi-conducteurs en carbure de silicium un matériau de choix.

La demande de carbure de silicium ayant explosé, plusieurs entreprises ont annoncé d'importants investissements. Wolfspeed a annoncé en mars l'ouverture du John Palmour Manufacturing Center for Silicon Carbide à Durham, en Caroline du Nord, qui produira des plaquettes de 200 mm (8 pouces), soit près de deux fois la taille des plaquettes traditionnelles de 6 pouces, afin de répondre aux augmentations de production nécessaires pour soutenir la fabrication de dispositifs de puissance et d'autres semi-conducteurs à grande vitesse fabriqués avec du carbure de silicium.

Le carbure de silicium non intrinsèque est le matériau semi-conducteur composé le plus répandu, avec plus de 200 variétés basées sur le schéma de répétition de la structure des couches et d'autres facteurs. Alors que le silicium pur existe à l'état naturel et est facile à travailler, le carbure de silicium de type N doit être dopé avec des éléments tels que le phosphore ou l'arsenic pour devenir un semi-conducteur utile, car il fournira les électrons nécessaires à la conduction de l'électricité à travers lui.

4. Type P

Les semi-conducteurs en carbure de silicium de type P sont devenus un excellent substitut au silicium traditionnel. Grâce à sa large bande interdite, le carbure de silicium de type P peut fonctionner à des températures et des fréquences de commutation plus élevées tout en réduisant la perte de puissance à haute tension, ce qui en fait un excellent choix pour les composants d'alimentation des véhicules électriques tels que les onduleurs, les chargeurs et les charges auxiliaires.

Mais la demande croissante en dispositifs de puissance fabriqués à partir de carbure de silicium favorise son déploiement à grande échelle dans l'industrie, ce qui a permis au marché mondial des dispositifs de puissance en carbure de silicium de croître de manière significative ces dernières années et devrait continuer à le faire après 2024, car les investissements se poursuivent dans divers projets.

Le carbure de silicium (SiC) de type P, contrairement à sa variante plus répandue de type N, qui utilise le bore comme principal élément constitutif, contient des atomes de phosphore plus résistants à la lumière, ce qui se traduit par une durée de vie plus longue des porteurs dans les panneaux solaires - ce seul avantage a rendu la production de SiC de type P attrayante pour de nombreux fabricants au cours des dernières années.

Bosch a récemment annoncé qu'elle commencerait à produire des puces SiC dans son usine de Roseville, en Californie, en utilisant les salles blanches et la main-d'œuvre qualifiée existantes ; toutefois, pour répondre aux besoins de traitement plus complexe du carbure de silicium, des équipements ont dû être installés dans l'usine.

L'usine de Wolfspeed se spécialisera dans la fabrication de plaquettes de 200 mm (8 pouces) qui sont 1,7 fois plus grandes que les plaquettes standard de 150 mm (6 pouces) et permettra la production de semi-conducteurs de puissance pour les véhicules électriques, les communications 5G et les applications d'intelligence artificielle. En outre, cette installation aura la capacité de produire des transistors SiC MOSFET, ce qui renforcera encore leur avantage concurrentiel.

5. 10 pouces et plus

Les semi-conducteurs en carbure de silicium (SiC) sont devenus un choix de plus en plus populaire dans diverses applications à travers le monde. Les semi-conducteurs SiC sont notamment utilisés dans l'industrie des véhicules électriques, où leur traitement efficace de l'énergie permet de réduire les pertes d'énergie et d'accélérer les temps de recharge. En outre, la technologie SiC permet d'améliorer les mesures de sécurité du contrôle de la batterie et d'assurer une meilleure protection de la batterie.

La bande interdite plus large du SiC lui permet de supporter des tensions et des températures plus élevées que le silicium. Une bande interdite désigne l'écart d'énergie nécessaire aux électrons pour passer de la bande de valence d'un atome à sa bande de conduction ; les conducteurs possèdent généralement des bandes interdites étroites, tandis que les isolants en ont de plus grandes ; les dispositifs fonctionnant à des tensions et des températures plus élevées ainsi qu'à des densités de puissance plus importantes peuvent bénéficier de ces bandes interdites plus larges.

Le SiC peut prolonger l'autonomie d'un véhicule en améliorant l'efficacité de son système d'onduleur - qui convertit le courant continu des batteries en courant alternatif pour faire tourner les moteurs -, sa vitesse de commutation élevée facilitant les processus de charge rapide nécessaires pour les véhicules électriques à moteur. En outre, le SiC réduit la taille et le poids des systèmes de gestion des batteries, ce qui diminue les coûts associés à l'achat d'un véhicule électrique.

La pression gouvernementale en faveur d'une réduction des émissions, combinée à la popularité des véhicules électriques à moteur, conduit le carbure de silicium et d'autres technologies à large bande passante à une utilisation courante. Dans le cadre de ce mouvement, Wolfspeed, l'un des principaux producteurs de plaquettes de SiC de base, est à l'avant-garde et modernisera bientôt son usine de Roseville pour produire des plaquettes de 200 mm tout en utilisant le système d'inspection des défauts Proforma 300iSA de MTI Instruments pour augmenter le rendement tout en réduisant les coûts.