حاليًا، معظم الرقائق مقاس 100 مم و150 مم في صناعة أشباه الموصلات مصنوعة من كربيد السيليكون أحادي البلورة مع هيكل شبكي سداسي (ممثل بـ 4H و6H للرقائق مقاس 4 بوصة و6 بوصة، على التوالي). ومع ذلك، فإن الشركات المصنعة الكبرى لأجهزة SiC تنتقل بنجاح من الرقائق مقاس 150 مم إلى 200 مم، وتستفيد الشركات المصنعة الأخرى أيضًا من هذا العرض.

على سبيل المثال، وفقا لمحللين من مجموعة Yole، تحصل شركة Infineon على الرقائق من موردين متعددين، بما في ذلك شركة STMicroelectronics، التي استحوذت على حصة أغلبية في شركة Norstel السويدية. تعمل شركة Rohm، الموردة لأجهزة الطاقة المصنوعة من السيليكون، على تعزيز قدراتها وشراكاتها. في يوليو، وقع روم اتفاقية مدتها 10 سنوات ودفع وديعة بقيمة 2 مليار دولار لشركة Wolfspeed لتوريد رقائق SiC العارية والفوقية بقطر 150 مم. كما توصل روم أيضًا إلى اتفاق مع شركة ميتسوبيشي، التي ستستثمر 260 مليار ين ياباني في التكنولوجيا والتوسع، بما في ذلك بناء مصنع SiC في اليابان.

وقال هيديتوشي شيباتا، رئيس الشركة، في بيان صحفي صدر مؤخرًا: "إن روم هو الوافد الجديد في مجال أشباه موصلات الطاقة التقليدية، ولكن الآن [منتجاتنا] تكتسب الاهتمام لكفاءتها العالية". "يمكن لـ SiC تحقيق ذلك أيضًا."

وفي الوقت نفسه، تستكشف شركتا SOITEC وSTMicroelectronics طريقة تسمى SiC متعدد البلورات على ركائز بلورية واحدة، والتي تتضمن تقسيم رقائق السيليكون البلورية المفردة إلى شرائح متعددة وإعادة استخدام ركائز الرقاقة المانحة لتقليل النفايات. وتتمثل ميزة ركائز السيليكون متعدد البلورات في القدرة على توصيل الحرارة من خلال الركيزة إلى الموصلات المعدنية، مما يتيح التبديل بشكل أسرع وتبديد الحرارة بشكل ممتاز.

في بعض الجوانب، يتبع كربيد السيليكون مسار تطور السيليكون. ومع ذلك، نظرًا لمستويات الخلل في SiC، فإن مشاركة البيانات ضرورية.

وقال بورنفيلد من شركة Bosch: "إننا نتبادل بيانات المواد الخام وبيانات المعدات مع موردي رقائق السيليكون". "نحن نستخدم أيضًا أنظمة متقدمة تعتمد على الذكاء الاصطناعي لتحديد الارتباطات الجيدة ومشاركة هذه المعلومات حتى تتمكن الشركتان من المضي قدمًا."

ومع ذلك، فإن تبادل البيانات ليس واسع النطاق بعد. على عكس السيليكون، فإن الانتقال من حجم السبائك من 150 مم إلى 200 مم لا يؤدي إلى عوائد أعلى بكثير من حيث أشكال الرقاقات/السبائك. بالإضافة إلى ذلك، يتطلب 200 مم بلورات بذور أكبر، والتي تستغرق وقتًا أطول لتنمو عند 2,500 درجة مئوية. حاليًا، قد تكون الزيادة في الإنتاجية (الرقائق/السبائك) في حدود 20%. يقدر المحللون من TECHCET أن مساهمة تكلفة نمو السبائك ستنخفض مقارنة بعمليات التقطيع والطحن والتلميع وعمليات CMP.

الطلب على رقائق السيارات يفوق الطلب على السيارات الكهربائية

صرّح لي بيل، مدير تسويق الطاقة الذكية للسيارات والمنتجات المنفصلة في شركة STMicroelectronics، قائلاً: "نشهد نموًا في الطلب على تطبيقات أشباه الموصلات في السيارات بوتيرة أسرع من زيادة إنتاج المركبات الكهربائية". وأضاف: "يعود ذلك إلى عوامل متعددة. فميزات سلامة السائق المتقدمة، والتحكم الذاتي في المركبات، والاتصال المتقدم، ووظائف الراحة، كلها عوامل تدفع الطلب على أشباه الموصلات، ولكن بطريقة مختلفة عن كهربة أنظمة الطاقة". وتابع: "بحلول عام 2022، سيكون حوالي ثلثي المركبات الكهربائية هجينة، وحوالي ثلثها يعمل بالبطاريات. وبحلول عام 2030، سينعكس هذا الاتجاه. ويعود ذلك إلى زيادة قبول السوق، وتحسين توافر البنية التحتية للشحن، ولكن الأهم من ذلك، أن شركات صناعة السيارات تُخصص ميزانياتها البحثية والتصنيعية لهذا الغرض". ويُعدّ هذا التغيير دافعًا رئيسيًا لاستخدام ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون.

وأشار بيل إلى أن محولات الجر غالبًا ما تستخدم شرائح أكبر. وأضاف أن أشباه موصلات الطاقة تستهلك كميات كبيرة في نظام شحن السيارة ومحول DC-DC الذي يخفض الجهد الكهربي من البطارية إلى نظام إنترنت الأشياء. كلاهما غائبان في بنيات المركبات الهجينة.

كما أكد على أهمية الكفاءة (أجهزة ووحدات التغليف) لأن انخفاض فقدان الطاقة في النظام يعني طول مدى السيارة والشاحنة. وقال: "أجرينا دراسة لمقارنة نظام عاكس بقدرة 210 كيلوواط (ما يعادل تقريبًا 280 حصانًا) مع ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون وترازسورات IGBT المصنوعة من السيليكون". وأضاف: "توفر طريقة كربيد السيليكون كفاءة تشغيلية ثابتة بنسبة 98%، بينما تكون طريقة IGBT أقل كفاءة، خاصةً في نطاق أحمال التشغيل المنخفضة، حيث تقضي السيارة حوالي 95% من عمرها الافتراضي".

إجمالي الطاقة هو مجموع خسائر التوصيل وخسائر التبديل. وقال "كربيد السيليكون يقلل من خسائر التحويل بمعامل أربعة". تقوم ST حاليًا بإنتاج الجيل الرابع من منتجات SiC مع أداء RDSon محسّن بنسبة 30%.

قدم بورنيفيلد من بوش توقعات الطلب والقدرة لعام 2030، مما يشير إلى قدرات عالمية كبيرة في تصنيع الرقائق والرقائق في اليابان وكوريا الجنوبية والصين وماليزيا وألمانيا والنمسا والولايات المتحدة. في الواقع، يجب على الصناعة أن تكون حذرة حتى لا تبالغ في البناء (انظر الشكل 5). "السؤال هو: ماذا يحدث في الصين؟" وقال بورنفيلد إن الصين رائدة بالفعل في المواد الخام من كربيد السيليكون، وهي توفر رقائق ذات جودة عالية جدًا وبأسعار معقولة. "إنهم أيضًا يلحقون بالركب بسرعة من حيث المعدات. لذلك، نحن بحاجة إلى مراقبة وتتبع القدرة الإجمالية."

وأخيرًا، تحدث فيلياديس من باور أمريكا عن التدريب العملي اللازم لتطبيق أشباه الموصلات واسعة النطاق، مثل كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN)، بمهارة في مصانع الرقائق. وقال: "هناك طلب كبير على المهندسين ذوي الخبرة في تصنيع ترانزستورات موسفت (MOSFET) المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN)، وهناك اختلافات جوهرية بين مصانع رقائق كربيد السيليكون (SiC) ومصانع رقائق السيليكون".

خاتمة

سيتطلب التحول إلى الطاقة النظيفة والمركبات الكهربائية مواد بديلة لأشباه الموصلات مثل SiC و GaN، ومن المؤكد أن أجهزة الطاقة ستخضع لتحسين كبير في العقود القادمة. قد لا يستمر جنون التحسينات التكنولوجية وتوسيع القدرات، لكن أجهزة الطاقة ستظل جزءًا أساسيًا من خرائط الطريق للعديد من الشركات.

وقال ديفيد بريتز، مدير التسويق الاستراتيجي في شركة Applied Materials ICAPS: "نحن نعلم أن صناعة أشباه الموصلات تتجه نحو سوق بقيمة تريليون دولار، لكن الجميع يريد أن يعرف ماذا سيحدث بعد عام 1". "أنا هنا لأثبت أن العصر الخامس لأشباه الموصلات مدفوع بالفعل بالتحول في إنتاج الطاقة والنقل."

قد تكون إدارة نمو رقائق وأجهزة ووحدات SiC هي الجانب الأكثر تحديًا في سوق SiC حتى الآن، إلى جانب مشكلات سلسلة التوريد، وسد الفجوات التكنولوجية، والتغيرات الجيوسياسية. ومع ذلك، يبدو أن صناعة تكنولوجيا أشباه الموصلات قد توصلت إلى إجماع على أشياء كثيرة، وخاصة فيما يتعلق بالطلب على الجيل التالي من كفاءة الطاقة والأداء.