الصفحة الرئيسية الحلول أساسيات الإلكترونيات أشباه موصلات الطاقة تبشر بعصر SiC (الجزء الثاني)

أشباه موصلات الطاقة تبشر بعصر SiC (الجزء الثاني)

2023-09-05 885

IDM (الشركة المصنعة للأجهزة المتكاملة)، Foundry، Fabless

ومن بين اللاعبين الرئيسيين في تصنيع الرقائق Wolfspeed، وSTMicroelectronics، وON Semiconductor، وROHM، وInfineon، وBosch. أكبر مساهم في تكلفة هذه الأجهزة، رقائق كربيد السيليكون (SiC)، ينتقل من تصنيع 150 مم إلى 200 مم، لكن عمليات النمو والتقطيع والتحضير لا تزال تعتمد على عمليات يدوية باهظة الثمن وتستغرق وقتًا طويلاً.

تسعى جميع الأطراف، وخاصة IDM ومصنع الرقائق، جاهدة لتقليل معدل الخلل في بلورات SiC، وتطوير منصات أدوات مخصصة لـ SiC، مثل زرع الأيونات ذات درجة الحرارة العالية، وأفران الترسيب الفوقي التي تعمل في درجات حرارة أعلى من 1,500 درجة مئوية، وتحسين ملاط CMP. ومنصات التلميع ومواد التنظيف الكيميائية لمعالجة المواد التي تعادل صلابة الماس تقريبًا.

نظرًا لأن دوائر الطاقة المعتمدة على السيليكون وSiC وGaN تتنافس جميعها ضمن نطاق بطارية 400 فولت، فقد اكتمل التحول التكنولوجي. ومع ذلك، يمكن لأنظمة الطاقة SiC توفير مستويات طاقة أعلى بكثير مقارنة بـ GaN (انظر الشكل 3).

يقول فيلياديس من PowerAmerica، الذي حضر منتدى "ربط النظام البيئي للسيارات بتصنيع SiC" الذي عقد في SEMICON West: "أسميها ساحة معركة 650 فولت، لأنه في الواقع، جميع التقنيات الثلاث قادرة على المنافسة ضمن هذا النطاق". في حين أن GaN يتمتع بحركة إلكترون أعلى من SiC، إلا أن نضجه أقل ولا يمكنه مطابقة مستويات الطاقة العالية لـ SiC. ومع ذلك، لا يزال GaN يتمتع بجاذبية كبيرة في تصنيع الأجهزة عالية التردد. بالإضافة إلى ذلك، فإن بعض أساليب GaN القائمة على السيليكون والتي تستخدمها حاليًا شركات مثل Intel وIMEC تبدو واعدة جدًا.

تعتبر وحدات كربيد السيليكون (SiC) ضرورية لتحسين كفاءة أنظمة نقل الحركة في المركبات الكهربائية. إن التحول الكبير من الأجهزة القائمة على السيليكون إلى أجهزة كربيد السيليكون سيساهم بشكل كبير في زيادة كثافة الطاقة في أنظمة الطاقة مع تقليل حجم ووزن، والأهم من ذلك، تكلفة المركبات الكهربائية. ويرجع ذلك إلى أنه على الرغم من أن أشباه موصلات الطاقة القائمة على السيليكون لا تزال قيد التحسين، إلا أنها وصلت إلى حدودها التشغيلية من حيث خسائر التوصيل والتبديل. يمكن لكربيد السيليكون، بفجوة نطاقه الأوسع (3.26 فولت مقارنة بـ 1.12 فولت للسيليكون)، أن يقلل من هذه الخسائر ويوفر أداءً ممتازًا في درجات الحرارة العالية والترددات العالية.

لقد قام العديد من مصنعي شرائح SiC بالفعل بتحويل خطوط إنتاج السيليكون مقاس 150 مم إلى تصنيع SiC. وقال فيلياديس: "إن النهج الناجح للغاية حتى الآن هو معالجة كربيد السيليكون في مصانع السيليكون الناضجة والمستهلكة بالكامل، باستثمار رأسمالي يبلغ حوالي 30 مليون دولار، مما يحقق عوائد هائلة". التكلفة مهمة بشكل خاص لوحدات الطاقة. "باستخدام كربيد السيليكون، ستدفع ما يقرب من ثلاثة أضعاف تكلفة رقائق أشباه الموصلات، ولكن التكلفة الإجمالية للنظام في نهاية المطاف أقل من تكلفة وحدات الطاقة السيليكونية، وهو ما يتعارض مع الحدس. ولكن الجواب بسيط. القدرة على العمل بكفاءة عند الترددات العالية يقلل بشكل كبير من حجم المكونات المغناطيسية والسلبية، مما يعوض التكلفة المرتفعة لتصنيع الرقائق."

ومع ذلك، لم يتبق أي مصانع قديمة يمكنها تحمل تكلفة تجديد هذه الصناعة بقيمة 30 مليون دولار. مصانع جديدة لرقائق كربيد السيليكون قيد الإنشاء بسرعة. وفي الوقت نفسه، تتنافس الشركات غير العاملة في مجال تصنيع الرقاقات على القدرة.

قال رالف بورنفيلد، نائب الرئيس الأول لأشباه موصلات ووحدات الطاقة في شركة بوش: "لدينا سوقان متنافسان - سوق السيارات وسوق الطاقة المتجددة، وكلاهما يسعى إلى زيادة طاقته الإنتاجية". وأضاف: "لقد تعلمنا من جائحة كوفيد-19 أن السوق المتنافسة قد تُغلق سوقًا أخرى، لذا علينا أخذ ذلك في الاعتبار". تُنتج بوش حاليًا وحدات موسفت SiC من الجيل الثالث بجهد انهيار يبلغ 1,200 فولت.

أجهزة SiC مناسبة بشكل خاص للسيارات، إذ يمكنها العمل في درجات حرارة أعلى في بيئات قاسية، مما يوفر كثافة طاقة عالية. تحقق أجهزة الطاقة المصنوعة من SiC خسائر تحويل منخفضة للغاية، ومعامل RDSon (مقاومة بين المصدر والمصرف) منخفض للغاية أثناء التشغيل. يرتبط انخفاض قيمة RDSon بانخفاض خسائر الطاقة في ترانزستورات MOSFET.

تبدأ قدرة الجهاز بمواد SiC. "لقد كانت جودة البلورة هي العامل الرئيسي الذي تناوله جميع اللاعبين على مدار العشرين عامًا الماضية، ولكن لا تزال هناك اضطرابات في المستوى الأساسي، وأخطاء في التراص، وما إلى ذلك، في البلورة التي يجب تصميمها لتصنيع 20 و20 و وقال كريستوف ماليفيل، نائب الرئيس الأول للابتكار في SOITEC: "أجهزة بحجم 30 ملم مربع". "عندما دخلنا مجال كربيد السيليكون قبل أربع سنوات، ما لاحظناه لأول مرة هو أن هناك تباينًا من سبيكة إلى أخرى ومن رقاقة إلى أخرى، وهو ما يحتاج المهندسون عادةً إلى تعديله والتحقق من صحته. لذلك، فإن تطبيقه في التصنيع ليس هزيلا بعد."

فيما يتعلق بالجوانب الكهربائية، يمكن أن تكون أجهزة الطاقة حساسة للمحثات الطفيلية، والإثارة، وغيرها من التحديات. على عكس مصانع الإشارات المختلطة التناظرية التي لا يوجد بها انكماش، فإن المعلمات هي التركيز الأساسي، ويحتاج مهندسو الطاقة إلى التعامل مع الاختلافات.

وقال ديتر راثي، الرئيس التنفيذي لشركة DR Yield: "في الماضي، كان (التناظري) يفتقر إلى الانكماش. لكن لديهم عمليات ناضجة للعيوب الآن". "نظرًا لأن أشباه الموصلات المركبة مثل كربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم وزرنيخيد الغاليوم أصبحت أكثر انتشارًا وتنمو بشكل أسرع، فسوف تتحسن مشكلات الإنتاجية البارامترية."

يتبع...

أشباه موصلات الطاقة تبشر بعصر SiC (الجزء الثالث)

لتالي

أشباه الموصلات الكهربائية تُبشّر بعصر كربيد السيليكون (الجزء الأول)