Ποιες προκλήσεις εμπλέκονται στην παραγωγή SiC;

Το SiC χρησιμοποιείται εκτενώς σε ηλεκτρικά οχήματα (EVs) για μετατροπείς έλξης και φορτιστές, καθώς και σε εφαρμογές υποδομής όπως φορτιστές DC, ηλιακούς μετατροπείς, συστήματα αποθήκευσης ενέργειας και αδιάλειπτα τροφοδοτικά (UPS). Παρά το γεγονός ότι χρησιμοποιείται στη μαζική παραγωγή για περισσότερο από έναν αιώνα - αρχικά ως λειαντικό υλικό - το SiC έχει επίσης επιδείξει εξαιρετική απόδοση σε εφαρμογές υψηλής τάσης και υψηλής ισχύος.

Από την άποψη των φυσικών ιδιοτήτων,καρβίδιο του πυριτίουπαρουσιάζει υψηλή θερμική αγωγιμότητα, υψηλή ταχύτητα μετατόπισης κορεσμένων ηλεκτρονίων και υψηλό ηλεκτρικό πεδίο διάσπασης (όπως φαίνεται στο Σχήμα 1). Ως αποτέλεσμα, τα συστήματα που βασίζονται σε καρβίδιο του πυριτίου μπορούν να μειώσουν σημαντικά τις απώλειες ενέργειας και να επιτύχουν μεγαλύτερες ταχύτητες μεταγωγής κατά τη λειτουργία. Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές συσκευές MOSFET και IGBT πυριτίου, το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να προσφέρει αυτά τα πλεονεκτήματα σε μικρότερα μεγέθη, προσφέροντας υψηλότερη απόδοση και ανώτερη απόδοση.

Σχήμα 1: Χαρακτηριστικά πυριτίου και υλικών ευρείας ζώνης

Η λειτουργία του καρβιδίου του πυριτίου μπορεί να υπερβαίνει τα όρια τουπυρίτιο, με λειτουργικές συχνότητες υψηλότερες από αυτές των IGBT πυριτίου και μπορεί επίσης να βελτιώσει σημαντικά την πυκνότητα ισχύος.

Εικόνα 2: SiC vs Si

Τι κάνουν οι ευκαιρίεςΚαρβίδιο του πυριτίουΠαρόν;

Για τους κατασκευαστές, το καρβίδιο του πυριτίου θεωρείται σημαντικό ανταγωνιστικό πλεονέκτημα. Όχι μόνο παρέχει ευκαιρίες για την κατασκευή ενεργειακά αποδοτικών συστημάτων αλλά επίσης μειώνει αποτελεσματικά το συνολικό μέγεθος, το βάρος και το κόστος αυτών των συστημάτων. Αυτό συμβαίνει επειδή τα συστήματα που χρησιμοποιούν καρβίδιο του πυριτίου είναι γενικά πιο ενεργειακά αποδοτικά, συμπαγή και ανθεκτικά σε σύγκριση με συστήματα που βασίζονται σε πυρίτιο, επιτρέποντας στους σχεδιαστές να μειώσουν το κόστος μειώνοντας το μέγεθος των παθητικών εξαρτημάτων. Πιο συγκεκριμένα, λόγω της χαμηλότερης παραγωγής θερμότητας των συσκευών SiC, η θερμοκρασία λειτουργίας μπορεί να διατηρηθεί κάτω από αυτή των παραδοσιακών λύσεων, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3. Αυτό ενισχύει την απόδοση του συστήματος, ενώ παράλληλα ενισχύει την αξιοπιστία και παρατείνει τη διάρκεια ζωής του εξοπλισμού.

Εικόνα 3: Πλεονεκτήματα εφαρμογών καρβιδίου του πυριτίου

Στη φάση του σχεδιασμού και της κατασκευής, η υιοθέτηση νέων τεχνολογιών συγκόλλησης τσιπ, όπως η πυροσυσσωμάτωση, μπορεί να διευκολύνει την αποτελεσματικότερη απαγωγή θερμότητας και να εξασφαλίσει την αξιοπιστία της σύνδεσης. Σε σύγκριση με τις συσκευές πυριτίου, οι συσκευές SiC μπορούν να λειτουργούν σε υψηλότερες τάσεις και να προσφέρουν μεγαλύτερες ταχύτητες μεταγωγής. Αυτά τα πλεονεκτήματα επιτρέπουν στους σχεδιαστές να ξανασκεφτούν πώς να βελτιστοποιήσουν τη λειτουργικότητα σε επίπεδο συστήματος ενισχύοντας παράλληλα την ανταγωνιστικότητα κόστους. Επί του παρόντος, πολλές συσκευές υψηλής απόδοσης χρησιμοποιούν τεχνολογία SiC, συμπεριλαμβανομένων των διόδων καρβιδίου του πυριτίου, των MOSFET και των μονάδων.

Σε σύγκριση με τα υλικά πυριτίου, η ανώτερη απόδοση του SiC ανοίγει τεράστιες προοπτικές για αναδυόμενες εφαρμογές. Οι συσκευές SiC είναι συνήθως σχεδιασμένες για τάσεις όχι μικρότερες από 650V και ειδικά πάνω από 1200V, το SiC γίνεται η προτιμώμενη επιλογή για πολλές εφαρμογές. Εφαρμογές όπως ηλιακοί μετατροπείς, σταθμοί φόρτισης EV και βιομηχανική μετατροπή AC σε DC αναμένεται να στραφούν σταδιακά προς την τεχνολογία SiC. Ένας άλλος τομέας εφαρμογής είναι οι μετασχηματιστές στερεάς κατάστασης, όπου οι υπάρχοντες χάλκινοι και μαγνητικοί μετασχηματιστές θα αντικατασταθούν σταδιακά από την τεχνολογία SiC, προσφέροντας υψηλότερη απόδοση και αξιοπιστία στη μετάδοση και τη μετατροπή ισχύος.

Τι κάνει οι Προκλήσεις ΚατασκευήςΚαρβίδιο του πυριτίουΠρόσωπο;

Αν και το καρβίδιο του πυριτίου έχει τεράστιες δυνατότητες στην αγορά, η διαδικασία κατασκευής του αντιμετωπίζει επίσης αρκετές προκλήσεις. Αρχικά, πρέπει να διασφαλιστεί η καθαρότητα των πρώτων υλών - δηλαδή των κόκκων ή των σκονών SiC. Κατόπιν αυτού, η παραγωγή πλινθωμάτων SiC υψηλής συνοχής (όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 4) απαιτεί συσσώρευση εμπειρίας σε κάθε επόμενο στάδιο επεξεργασίας για να διασφαλιστεί η αξιοπιστία του τελικού προϊόντος (όπως φαίνεται στο Σχήμα 5).

Μια μοναδική πρόκληση του SiC είναι ότι δεν διαθέτει υγρή φάση, που σημαίνει ότι δεν μπορεί να αναπτυχθεί χρησιμοποιώντας παραδοσιακές μεθόδους τήξης. Η ανάπτυξη κρυστάλλων πρέπει να συμβαίνει κάτω από επακριβώς ελεγχόμενες πιέσεις, καθιστώντας την παραγωγή του SiC πιο περίπλοκη από το πυρίτιο. Εάν η σταθερότητα διατηρείται σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας και χαμηλής πίεσης, το SiC θα αποσυντεθεί απευθείας σε αέριες ουσίες χωρίς να υποβληθεί σε υγρή φάση.

Λόγω αυτού του χαρακτηριστικού, η ανάπτυξη κρυστάλλων SiC συνήθως χρησιμοποιεί τεχνικές εξάχνωσης ή φυσικής μεταφοράς ατμών (PVT). Σε αυτή τη διαδικασία, η σκόνη SiC τοποθετείται σε ένα χωνευτήριο μέσα σε έναν κλίβανο και θερμαίνεται σε υψηλές θερμοκρασίες (που υπερβαίνουν τους 2200°C). Καθώς το SiC εξαχνώνεται, κρυσταλλώνεται σε έναν κρύσταλλο σπόρων για να σχηματίσει έναν κρύσταλλο. Ένα κρίσιμο μέρος της μεθόδου ανάπτυξης PVT είναι ο κρύσταλλος σπόρων, του οποίου η διάμετρος είναι παρόμοια με αυτή του πλινθώματος. Συγκεκριμένα, ο ρυθμός ανάπτυξης της διαδικασίας PVT είναι πολύ αργός, περίπου 0,1 έως 0,5 χιλιοστά την ώρα.

Εικόνα 4: Σκόνη καρβιδίου του πυριτίου, πλινθώματα και γκοφρέτες

Λόγω της εξαιρετικής σκληρότητας του SiC σε σύγκριση με το πυρίτιο, τοόστιαΗ διαδικασία παραγωγής είναι επίσης πιο περίπλοκη. Το SiC είναι ένα εξαιρετικά σκληρό υλικό, καθιστώντας το δύσκολο να κοπεί ακόμη και με πριόνια διαμαντιού, μια σκληρότητα που το ξεχωρίζει από πολλά άλλα υλικά ημιαγωγών. Αν και υπάρχουν επί του παρόντος αρκετές μέθοδοι για τον τεμαχισμό των πλινθωμάτων σε γκοφρέτες, αυτές οι μέθοδοι μπορούν ενδεχομένως να δημιουργήσουν ελαττώματα στον μονοκρύσταλλο, επηρεάζοντας την ποιότητα του τελικού υλικού.

Εικόνα 5: Διαδικασία παραγωγής καρβιδίου του πυριτίου από τις πρώτες ύλες στα τελικά προϊόντα

Επιπλέον, η μεγάλης κλίμακας παραγωγή SiC αντιμετωπίζει επίσης προκλήσεις. Το SiC έχει εγγενώς περισσότερα ελαττώματα σε σύγκριση με το πυρίτιο. Η διαδικασία ντόπινγκ του είναι εξαιρετικά περίπλοκη και η παραγωγή μεγάλου μεγέθους, χαμηλού ελαττώματος γκοφρέτες SiC συνεπάγεται υψηλότερο κόστος κατασκευής και επεξεργασίας. Ως εκ τούτου, η καθιέρωση μιας αποτελεσματικής και αυστηρής διαδικασίας ανάπτυξης από την αρχή είναι ζωτικής σημασίας για τη διασφάλιση της συνεπούς παραγωγής προϊόντων υψηλής ποιότητας.

Εικόνα 6: Προκλήσεις - Γκοφρέτες καρβιδίου του πυριτίου και ελαττώματα

Εμείς στη Semicorex ειδικευόμαστε σεΓραφίτης με επίστρωση SiC/TaCλύσεις που εφαρμόζονται στην κατασκευή ημιαγωγών SiC, εάν έχετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις ή χρειάζεστε πρόσθετες λεπτομέρειες, μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μας.

Τηλέφωνο επικοινωνίας: +86-13567891907

Email: sales@semicorex.com