Λεπτομέρειες Blog

Με γνώμονα την ταχεία άνοδο των ηλεκτρικών οχημάτων, των συστημάτων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και των τεχνολογιών επικοινωνίας επόμενης γενιάς, η βιομηχανία υποστρωμάτων καρβιδίου του πυριτίου (SiC) έχει εισέλθει σε μια περίοδο επιταχυνόμενης επέκτασης. Ως βασικό υλικό σε ημιαγωγούς ευρείας ζώνης, το SiC επιτρέπει την απόδοση συσκευών υψηλής θερμοκρασίας, υψηλής τάσης και υψηλής συχνότητας πέρα από τα όρια του παραδοσιακού πυριτίου. Με την αύξηση της παραγωγικής ικανότητας, η αγορά κινείται προς ευρύτερη υιοθέτηση, χαμηλότερο κόστος και συνεχή βελτίωση της τεχνολογίας.

1. Επισκόπηση των υποστρωμάτων καρβιδίου του πυριτίου

1.1 Ιδιότητες του καρβιδίου του πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι μια συνθετική ένωση που αποτελείται από πυρίτιο και άνθρακα. Διαθέτει πολύ υψηλό σημείο τήξης (~2700°C), σκληρότητα δεύτερη μόνο από το διαμάντι, υψηλή θερμική αγωγιμότητα, ευρεία ζώνη, υψηλό ηλεκτρικό πεδίο διάσπασης και γρήγορη ταχύτητα μετατόπισης κορεσμού ηλεκτρονίων. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν το SiC ένα από τα πιο σημαντικά υλικά για την ηλεκτρονική ισχύος και τις εφαρμογές RF.

1.2 Τύποι υποστρωμάτων SiC

Τα υποστρώματα SiCκατηγοριοποιούνται ανά ηλεκτρική αντίσταση:

• Ημιαπομονωτικά υποστρώματα (≥10⁵ Ω·cm), που χρησιμοποιούνται για συσκευές GaN-on-SiC RF σε επικοινωνίες 5G, ραντάρ και ηλεκτρονικά υψηλής συχνότητας.

• Αγώγιμα υποστρώματα (15–30 mΩ·cm), που χρησιμοποιούνται για επιταξιακούς δίσκους SiC σε συσκευές ισχύος για EV, ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, βιομηχανικές μονάδες και σιδηροδρομικές μεταφορές.

2. Αλυσίδα βιομηχανίας υλικών SiC

Η αλυσίδα αξίας SiC αποτελείται από σύνθεση πρώτων υλών, ανάπτυξη κρυστάλλων, μηχανική ράβδων, κοπή δίσκων, λείανση, στίλβωση, επιταξιακή ανάπτυξη, κατασκευή συσκευών και εφαρμογές κατάντη. Μεταξύ αυτών των βημάτων, η κατασκευή υποστρωμάτων έχει τα υψηλότερα τεχνικά εμπόδια και τη συνεισφορά κόστους, αντιπροσωπεύοντας περίπου το 46% του συνολικού κόστους της συσκευής.

Τα ημιαπομονωτικά υποστρώματα υποστηρίζουν εφαρμογές RF υψηλής συχνότητας, ενώ τα αγώγιμα υποστρώματα εξυπηρετούν τις αγορές συσκευών υψηλής ισχύος και υψηλής τάσης.

3. Διαδικασία κατασκευής υποστρώματος SiC

Η παραγωγή υποστρώματος SiC απαιτεί δεκάδες βήματα υψηλής ακρίβειας για τον έλεγχο των ελαττωμάτων, της καθαρότητας και της ομοιομορφίας.

3.1 Σύνθεση πρώτων υλών

Σκόνες πυριτίου και άνθρακα υψηλής καθαρότητας αναμιγνύονται και αντιδρούν σε θερμοκρασίες άνω των 2000°C για να σχηματίσουν σκόνη SiC με ελεγχόμενες κρυσταλλικές φάσεις και επίπεδα ακαθαρσιών.

3.2 Ανάπτυξη κρυστάλλων

Η ανάπτυξη κρυστάλλων είναι το πιο κρίσιμο βήμα που επηρεάζει την ποιότητα του υποστρώματος. Οι κύριες μέθοδοι περιλαμβάνουν:

• PVT (Physical Vapor Transport): Η κύρια βιομηχανική μέθοδος όπου η σκόνη SiC εξαχνώνεται και ανακρυσταλλώνεται σε έναν κρύσταλλο σπόρου.

• HTCVD (High-Temperature CVD): Επιτρέπει υψηλότερη καθαρότητα και χαμηλότερα επίπεδα ελαττωμάτων, αλλά απαιτεί πιο σύνθετο εξοπλισμό.

• LPE (Liquid Phase Epitaxy): Ικανό να παράγει κρυστάλλους χαμηλών ελαττωμάτων, αλλά υψηλότερο κόστος και πιο περίπλοκο στην κλιμάκωση.

3.3 Επεξεργασία ράβδων

Ο αναπτυγμένος κρύσταλλος προσανατολίζεται, διαμορφώνεται και λειαίνεται σε τυποποιημένες ράβδους.

3.4 Κοπή δίσκων

Τα πριόνια σύρματος διαμαντιών κόβουν τη ράβδο σε δίσκους, οι οποίοι υποβάλλονται σε επιθεώρηση στρέβλωσης, καμπυλότητας και TTV.

3.5 Λείανση και στίλβωση

Οι μηχανικές και χημικές διεργασίες λεπταίνουν την επιφάνεια, αφαιρούν ζημιές και επιτυγχάνουν επιπεδότητα επιπέδου νανομέτρων.

3.6 Τελικός καθαρισμός

Οι εξαιρετικά καθαρές διαδικασίες αφαιρούν σωματίδια, ιόντα μετάλλων και οργανικούς ρύπους, παράγοντας το τελικό υπόστρωμα SiC.

4. Παγκόσμια προοπτική αγοράς

Η έρευνα της βιομηχανίας δείχνει ότι η παγκόσμια αγορά υποστρωμάτων SiC έφτασε περίπου τα 754 εκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ το 2022, αντιπροσωπεύοντας αύξηση 27,8% σε ετήσια βάση. Η αγορά αναμένεται να φτάσει τα 1,6 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ έως το 2025.

Τα αγώγιμα υποστρώματα αντιπροσωπεύουν περίπου το 68% της ζήτησης, που οφείλεται στα EV και τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Τα ημιαπομονωτικά υποστρώματα αντιπροσωπεύουν περίπου το 32%, που οφείλεται σε εφαρμογές 5G και υψηλής συχνότητας.

5. Ανταγωνιστικό τοπίο

Η βιομηχανία έχει υψηλά τεχνικά όρια, συμπεριλαμβανομένων των μακρών κύκλων Ε&Α, του ελέγχου ελαττωμάτων κρυστάλλων και των προηγμένων απαιτήσεων εξοπλισμού. Ενώ οι παγκόσμιοι προμηθευτές κατέχουν επί του παρόντος ισχυρές θέσεις σε αγώγιμα υποστρώματα, οι εγχώριοι κατασκευαστές βελτιώνουν γρήγορα την ποιότητα ανάπτυξης κρυστάλλων, τον έλεγχο της πυκνότητας ελαττωμάτων και τις δυνατότητες μεγάλων διαμέτρων. Η ανταγωνιστικότητα κόστους θα εξαρτηθεί όλο και περισσότερο από τη βελτίωση της απόδοσης και την κλίμακα παραγωγής.

6. Μελλοντικές τάσεις ανάπτυξης

6.1 Μεγαλύτερες διάμετροι υποστρωμάτων

Η μετάβαση σε δίσκους μεγάλης διαμέτρου είναι απαραίτητη για τη μείωση του κόστους ανά συσκευή και την αύξηση της παραγωγής.

• Τα ημιαπομονωτικά υποστρώματα μετακινούνται από 4 ίντσες σε 6 ίντσες.

• Τα αγώγιμα υποστρώματα μεταναστεύουν από 6 ίντσες σε 8 ίντσες.

6.2 Χαμηλότερη πυκνότητα ελαττωμάτων

Η μείωση των μικροσωλήνων, των εκτοπίσεων βασικού επιπέδου και των σφαλμάτων στοίβαξης είναι το κλειδί για την επίτευξη κατασκευής συσκευών υψηλής απόδοσης.

6.3 Μείωση κόστους μέσω κλίμακας

Καθώς περισσότεροι κατασκευαστές φτάνουν στην παραγωγή βιομηχανικής κλίμακας, τα πλεονεκτήματα κόστους και η σταθερότητα της προσφοράς θα επιταχύνουν την παγκόσμια υιοθέτηση συσκευών SiC.

6.4 Ζήτηση που προκαλείται από την ηλεκτροδότηση και τα συστήματα υψηλής ισχύος

Η ισχυρή δυναμική ανάπτυξης προέρχεται από τα ηλεκτρικά οχήματα, την υποδομή ταχείας φόρτισης, τα φωτοβολταϊκά, τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, τις βιομηχανικές μονάδες ισχύος και τα προηγμένα συστήματα επικοινωνίας.

Συμπέρασμα

Η βιομηχανία υποστρωμάτων καρβιδίου του πυριτίου εισέρχεται σε ένα στρατηγικό παράθυρο ανάπτυξης που χαρακτηρίζεται από την επέκταση των εφαρμογών, την ταχεία τεχνολογική πρόοδο και την αύξηση της κλίμακας παραγωγής. Καθώς αυξάνονται τα μεγέθη των δίσκων και βελτιώνεται η ποιότητα των κρυστάλλων, το SiC θα διαδραματίσει όλο και πιο σημαντικό ρόλο στα παγκόσμια συστήματα ηλεκτροδότησης και μετατροπής ισχύος. Οι κατασκευαστές που ηγούνται στον έλεγχο ελαττωμάτων, στη βελτιστοποίηση της απόδοσης και στην τεχνολογία μεγάλης διαμέτρου θα εκμεταλλευτούν την επόμενη φάση της ευκαιρίας της αγοράς.