Millised väljakutsed on ränidioksiidi tootmisega seotud?

SiC-d kasutatakse laialdaselt elektrisõidukites (EV) veojõumuundurite ja pardalaadijate jaoks, aga ka infrastruktuurirakendustes, nagu alalisvoolu kiirlaadijad, päikeseenergia inverterid, energiasalvestussüsteemid ja katkematu toiteallikad (UPS). Vaatamata sellele, et SiC on seda kasutatud masstootmises üle sajandi – algselt abrasiivse materjalina – on see näidanud ka erakordset jõudlust kõrgepinge ja suure võimsusega rakendustes.

Füüsikaliste omaduste vaatenurgastränikarbiidsellel on kõrge soojusjuhtivus, suur küllastunud elektronide triivimiskiirus ja tugev elektriväli (nagu on näidatud joonisel 1). Tänu sellele võivad ränikarbiidil põhinevad süsteemid oluliselt vähendada energiakadusid ja saavutada töö ajal suuremad lülituskiirused. Võrreldes traditsiooniliste räni MOSFET- ja IGBT-seadmetega, võib ränikarbiid pakkuda neid eeliseid väiksemates suurustes, pakkudes suuremat tõhusust ja paremat jõudlust.

Joonis 1: Räni ja laia ribalaiusega materjalide omadused

Ränikarbiidi töö võib ületada piireräni, mille töösagedused on kõrgemad kui ränist IGBT-del, ja see võib samuti oluliselt suurendada võimsustihedust.

Joonis 2: SiC vs Si

Mida võimalused teevadRänikarbiidkohal?

Tootjate jaoks tajutakse ränikarbiidi olulise konkurentsieelisena. See ei paku mitte ainult võimalusi energiatõhusate süsteemide ehitamiseks, vaid vähendab tõhusalt ka nende süsteemide üldist suurust, kaalu ja maksumust. Selle põhjuseks on asjaolu, et ränikarbiidi kasutavad süsteemid on üldiselt ränipõhiste süsteemidega võrreldes energiatõhusamad, kompaktsemad ja vastupidavamad, võimaldades disaineritel passiivsete komponentide suuruse vähendamise kaudu kulusid vähendada. Täpsemalt, tänu SiC-seadmete väiksemale soojuse tekkele saab töötemperatuuri hoida traditsiooniliste lahenduste omast madalamal, nagu on näidatud joonisel 3. See suurendab süsteemi efektiivsust, suurendades samal ajal töökindlust ja pikendades seadmete eluiga.

Joonis 3: Ränikarbiidi rakenduste eelised

Projekteerimise ja valmistamise etapis võib uute kiibi sidumistehnoloogiate, näiteks paagutamise, kasutuselevõtt hõlbustada tõhusamat soojuse hajumist ja tagada ühenduse töökindluse. Võrreldes räniseadmetega võivad SiC-seadmed töötada kõrgema pingega ja pakkuda suuremat lülituskiirust. Need eelised võimaldavad disaineritel ümber mõelda, kuidas optimeerida funktsionaalsust süsteemi tasemel, suurendades samal ajal kulude konkurentsivõimet. Praegu kasutavad paljud suure jõudlusega seadmed SiC-tehnoloogiat, sealhulgas ränikarbiiddioodid, MOSFET-id ja moodulid.

Võrreldes ränimaterjalidega avab ränidioksiidi suurepärane jõudlus uutele rakendustele suuri väljavaateid. SiC seadmed on tavaliselt ette nähtud pingetele, mis ei ületa 650 V ja eriti üle 1200 V, muutub SiC paljude rakenduste jaoks eelistatud valikuks. Eeldatakse, et sellised rakendused nagu päikeseenergia inverterid, elektrisõidukite laadimisjaamad ja tööstuslik vahelduvvoolu alalisvooluks muundamine lähevad järk-järgult üle ränikarbiidi tehnoloogiale. Teine rakendusvaldkond on pooljuhttrafod, kus olemasolevad vask- ja magnettrafod asendatakse järk-järgult SiC-tehnoloogiaga, pakkudes suuremat efektiivsust ja töökindlust jõuülekandes ja muundamises.

Mida valmistavad väljakutsedRänikarbiidNägu?

Kuigi ränikarbiidil on suur turupotentsiaal, seisab selle tootmisprotsess silmitsi ka mitmete väljakutsetega. Esialgu tuleb tagada tooraine – nimelt ränikarbiidi graanulite või pulbrite – puhtus. Pärast seda nõuab väga ühtlaste ränikarbiidi valuplokkide tootmine (nagu on kujutatud joonisel 4) igal järgneval töötlemisetapil kogemuste kogumist, et tagada lõpptoote töökindlus (nagu on näidatud joonisel 5).

SiC ainulaadne väljakutse on see, et sellel ei ole vedelat faasi, mis tähendab, et seda ei saa kasvatada traditsiooniliste sulatusmeetoditega. Kristallide kasv peab toimuma täpselt kontrollitud rõhu all, muutes ränikarbiidi tootmise keerulisemaks kui räni. Kui stabiilsus säilib kõrge temperatuuri ja madala rõhuga keskkondades, laguneb ränikarbid otse gaasilisteks aineteks, läbimata vedelat faasi.

Selle omaduse tõttu kasutatakse SiC kristallide kasvatamisel tavaliselt sublimatsiooni või füüsikalise aurutranspordi (PVT) tehnikaid. Selle protsessi käigus asetatakse SiC pulber ahju sees olevasse tiiglisse ja kuumutatakse kõrge temperatuurini (üle 2200 °C). SiC sublimeerumisel kristalliseerub see idukristallil, moodustades kristalli. PVT kasvumeetodi oluline osa on seemnekristall, mille läbimõõt on sarnane valuploki läbimõõduga. Eelkõige on PVT protsessi kasvukiirus väga aeglane, ligikaudu 0,1–0,5 millimeetrit tunnis.

Joonis 4: ränikarbiidi pulber, valuplokid ja vahvlid

Tänu ränikarbiidi äärmisele kõvadusele võrreldes räniga,vahveltootmisprotsess on ka keerulisem. SiC on erakordselt kõva materjal, mis muudab selle lõikamise keeruliseks isegi teemantsaagidega, kõvadus, mis eristab seda paljudest teistest pooljuhtmaterjalidest. Kuigi praegu on olemas mitu meetodit valuplokkide viilutamiseks vahvliteks, võivad need meetodid põhjustada monokristalli defekte, mis mõjutavad materjali lõplikku kvaliteeti.

Joonis 5: ränikarbiidi tootmisprotsess toorainest lõpptoodeteni

Veelgi enam, ränikarbiidi suuremahuline tootmine on samuti väljakutsetega. SiC-l on oma olemuselt rohkem defekte kui räni. Selle dopinguprotsess on väga keerukas ning suurte ja vähese defektidega SiC vahvlite tootmine eeldab kõrgemaid tootmis- ja töötlemiskulusid. Seetõttu on tõhusa ja range arendusprotsessi algusest peale sisseseadmine ülioluline, et tagada kvaliteetsete toodete järjepidev tootmine.

Joonis 6: Väljakutsed – ränikarbiidist plaadid ja defektid

Meie, Semicorex, oleme spetsialiseerunudSiC/TaC kaetud grafiitSiC pooljuhtide tootmises rakendatavad lahendused, kui teil on küsimusi või vajate lisateavet, võtke meiega kindlasti ühendust.

Kontakttelefon: +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com