Hemmeligheden bag succes med siliciumcarbidwafer
Hemmeligheden bag succes med siliciumcarbidwafer
Næsten alle de enheder, vi bruger i dag, er afhængige af halvledere. Nye teknologiske fremskridt kræver siliciumcarbid (SiC) til brug i mange krævende halvlederapplikationer. På grund af dets fysiske og elektroniske egenskaber, SiC-baserede enheder er velegnede til højtemperatur og højeffekt/højfrekvent elektronik, muliggør fremskridt inden for EV, 5G, og IoT-teknologier. Mens de tilbyder mange fordele for slutbrugeren, produktionen af højkvalitets SiC-substrater giver en række udfordringer for waferproducenter.
Halvledere forbedrer vores dagligdag
Vi har fulgt Gordon Moores lov til niveauer, der engang var utænkelige, og halvledere har revolutioneret den måde, vi arbejder på, kommunikere, rejse, spil, udnytte energi og behandle sygdomme. Ikke kun muliggør de nyttige enheder i vores hverdag, men de gør dem også mere kompakte, billigere, og mere kraftfuld. Tag udviklingen af mobiltelefoner, for eksempel: de første mobiltelefoner i 1980'erne var meget omfangsrige, koster næsten det samme som en bil, og tog kun ca 30 minutter at oplade.
I dag, vores smartphones er yderst intelligente mobile enheder, der er næsten lige så kraftfulde som almindelige computere og tilgængelige for alle. Overraskende nok, det største potentiale er stadig forude. Som teknologiens hjørnesten, SiC-baserede halvledere vil fortsat levere store gennembrud: transformerer hele industrier, fra rumfart og forbrugerelektronik til energi og medicin. Et godt eksempel på dette skift er bilindustrien.
Elektriske køretøjer har udviklet sig fra en økologisk niche til et hverdagsmæssigt foretrukket alternativ. Denne udvikling blev understøttet af en mere kraftfuld elektrisk drivlinje, ved at bruge højere strømme og mere effektive kredsløb. Det er her siliciumcarbid spiller en ledende rolle.
Hvorfor vælge siliciumcarbid?
Svaret er enkelt: ved højere spændinger, mere kraft, mere effektivitet, og bedre pålidelighed. Ikke kun i industrien, men også i selve halvledermaterialer. For at imødekomme de stigende krav fra elektroniske enheder, siliciumcarbid er blevet det foretrukne substratmateriale til avancerede halvledere, især kraftelektroniske enheder.
Det kan øge den dielektriske nedbrydningsfeltstyrke med 10 gange, nedbrydningsspændingen ved 15 gange, og den termiske ledningsevne ved 3 gange. Derudover, siliciumcarbid muliggør højere driftstemperaturer (op til 400°C mod 150°C for silicium) og har 2-3 gange mere strømtæthed.
Ydeevnen af siliciumcarbid-halvledere ved høj temperatur, højt tryk og kraft har ført til stigende efterspørgsel i flere brancher. For eksempel, datacentre bruger siliciumcarbid som strømkilde, kraftigt reducere den effekt, der kræves til kølesystemer.
Derudover, en uafbrydelig strømforsyning (UPS) system sikrer stabil, konsekvent magt. Et andet eksempel er 5G-basestationer: de behandler flere og flere data, resulterer i øget strømbehov. Siliciumcarbid halvledere bruges i megahertz switching og giver højere effekt i en mindre formfaktor.
Siliciumcarbid muliggør gennembrud i elektriske køretøjer
Især bilindustrien nyder godt af fordelene ved siliciumcarbid. Producenter som Porsche er i stand til at konvertere 400-volt-batterier til 800-volt-batterier på grund af den højere effektivitet af siliciumcarbid-halvledere. Dette resulterer i hurtigere opladningstider, mindre batterier og længere rækkevidde. Andre applikationer, der drager fordel af SiC:
⊕ Bilbatterioplader: Konverter ekstern AC til DC for at oplade batteriet, hvilket kan øge effekten til det halve
⊕ Indbygget DC/DC-konverter: Konverter indbygget batterispænding for at rense 12VDC-bus til strømforsyning til indbygget udstyr
⊕ Strømsystem: inverter, motor og dens mekaniske tilbehør med drivlinje. Omskiftningstab er mindre end 80% og størrelsen reduceres med 30%. Mindre batteri (lettere vægt, mindre varme) og længere batterilevetid
⊕ Off-board DC hurtigoplader: DC ladestation til hurtig opladning
Udfordringer branchen står over for
Efterspørgslen forventes at stige markant i løbet af de næste fem år, den største udfordring for industrien er ikke kun det absolutte antal wafers, der kræves, men også de skiftende wafer-specifikationer. Skærpede tolerancer og specifikationer vil drive nuværende og fremtidige fremstillingsmetoder. Innovation er afgørende for at overvinde disse udfordringer. At tage en proaktiv tilgang til at forudse ændringer i produktionsteknologi kræver dybe relationer med procesingeniører og R&D baseret på tillid og ekspertise til at udvikle næste generations produkter.
Siliciumcarbidsubstratproducenter er motiverede til at forbedre proceseffektiviteten og reducere omkostningerne til waferproduktion, da markedet kæmper for at opnå prisparitet mellem strømenheder og siliciumbaserede enheder. Desuden, stor vækst i efterspørgslen (accelereret masseproduktion, nye faciliteter, etc.) og globale forsyningskædebegrænsninger i lyset af stigende efterspørgsel efter SiC-baserede applikationer kræver innovationer i fremstillingsprocesser.
