נכון לעכשיו, רוב הפרוסות בגודל 100 מ"מ ו-150 מ"מ בתעשיית המוליכים למחצה עשויים מקרביד סיליקון חד-גביש עם מבנה סריג משושה (מיוצג על ידי 4H ו-6H עבור פרוסות 4 אינץ' ו-6 אינץ', בהתאמה). עם זאת, יצרני מכשירי SiC גדולים עוברים בהצלחה מ-150 מ"מ ל-200 מ"מ פרוסות, וגם יצרנים אחרים מנצלים את ההיצע הזה.

לדוגמה, על פי אנליסטים מקבוצת Yole, אינפיניון שואבת פרוסות מספקים רבים, כולל STMicroelectronics, שרכשה את הרוב בחברת Norstel השוודית. ספקית מכשירי כוח סיליקון, Rohm, מגבירה את הקיבולת ואת שותפויותיה. ביולי, רוהם חתם על הסכם ל-10 שנים ושילם פיקדון של 2 מיליארד דולר לוולפספיד עבור אספקת פרוסות SiC חשופות ואפיטקסיות בגודל 150 מ"מ. רוהם הגיעה גם להסכם עם מיצובישי, שתשקיע 260 מיליארד ין יפני בטכנולוגיה ובהרחבה, כולל הקמת מפעל SiC ביפן.

"רוהם הוא עולה חדש בתחום המוליכים למחצה המסורתיים, אך כעת [המוצרים שלנו] זוכים לתשומת לב בזכות היעילות הגבוהה שלהם", אמר Hidetoshi Shibata, נשיא החברה, בהודעה לעיתונות לאחרונה. "SiC יכול להשיג את זה גם כן."

בינתיים, SOITEC ו-STMicroelectronics בוחנות שיטה הנקראת Multi-crystalline SiC על מצעי גביש בודדים, הכוללת חלוקת פרוסות סיליקון גבישי בודד למספר פרוסות ושימוש חוזר במצעי פרוסות תורם כדי להפחית פסולת. היתרון של מצעי סיליקון רב גבישי הוא היכולת להעביר חום דרך המצע למחברי מתכת, מה שמאפשר מיתוג מהיר יותר ופיזור חום מצוין.

בהיבטים מסוימים, סיליקון קרביד עוקב אחר מסלול הפיתוח של סיליקון. עם זאת, בשל רמות הפגמים ב-SiC, שיתוף נתונים הכרחי.

"אנחנו מחליפים נתוני חומרי גלם ונתוני ציוד עם ספקי פרוסות סיליקון", אמר בורנפלד מ-Bosch. "אנחנו גם משתמשים במערכות מתקדמות מבוססות בינה מלאכותית כדי לזהות מתאמים טובים ולשתף את המידע הזה כדי ששתי החברות יוכלו להתקדם".

עם זאת, שיתוף הנתונים עדיין אינו נפוץ. בניגוד לסיליקון, המעבר מגודל מטיל של 150 מ"מ ל-200 מ"מ אינו מביא לתשואות גבוהות משמעותית מבחינת צורות רקיק/מטיר. בנוסף, 200 מ"מ דורשים גבישי זרעים גדולים יותר, שלוקח יותר זמן לצמוח ב-2,500 מעלות צלזיוס. נכון לעכשיו, העלייה בפריון (וופלים/מטילים) עשויה להיות בטווח של 20%. אנליסטים מ-TECHCET מעריכים שתרומת העלות של צמיחת מטיל תקטן בהשוואה לתהליכי חיתוך, שחיקה, ליטוש ו-CMP.

הביקוש לשבבי רכב עולה על זה של כלי רכב חשמליים

לי בל, מנהל השיווק של STMicroelectronics למוצרים חכמים להספק ובדידים לרכב, הצהיר: "אנו רואים את הביקוש ליישומי מוליכים למחצה לרכב גדל מהר יותר מהעלייה בייצור כלי רכב חשמליים." "הדבר נובע מגורמים שונים. מאפייני בטיחות מתקדמים לנהג, בקרת רכב אוטונומית, קישוריות מתקדמת ופונקציות נוחות, כולם מניעים את הביקוש למוליכים למחצה, אך בצורה שונה מהחשמול של מערכות חשמל", אמר. "עד 2022, כשני שלישים מכלי הרכב החשמליים יהיו היברידיים, כאשר כשליש מהם יהיו מונעים על ידי סוללות. עד 2030, מגמה זו תתהפך. זאת בשל קבלה מוגברת בשוק, זמינות משופרת של תשתית טעינה, אך אולי הכי חשוב, זה המקום שבו יצרניות הרכב משקיעות את תקציבי המחקר והייצור שלהן." שינוי זה הוא כוח מניע מרכזי לשימוש ב-MOSFETs SiC.

בל ציין שממירי משיכה משתמשים לעתים קרובות בשבבים גדולים יותר. הוא הוסיף כי מוליכים למחצה מתח הם צרכנים עצומים במערכת הטעינה של הרכב ובממיר DC-DC שמפחית מתח מהסוללה למערכת האינטרנט של הדברים. שני אלה נעדרים בארכיטקטורות של רכב היברידי.

הוא גם הדגיש כי יעילות (התקני אריזה ומודולים) היא דאגה ראשונית משום שככל שאובדן ההספק במערכת קטן יותר, כך טווח הנסיעה של המכונית והמשאית ארוך יותר. "ערכנו מחקר שהשווה מערכת אינוורטר של 210 קילוואט (שווה ערך ל-280 כוחות סוס) עם טרנזיסטורי MOSFET של SiC ו-IGBT של סיליקון", אמר. "שיטת הסיליקון קרביד מספקת באופן עקבי יעילות תפעולית של 98%, בעוד ששיטת ה-IGBT פחות יעילה, במיוחד בטווח עומסי פעולה נמוכים, שבו הרכב מבלה כ-95% מחייו".

הספק הכולל הוא סכום הפסדי ההולכה והפסדי המיתוג. "סיליקון קרביד מפחית את הפסדי המיתוג בפקטור של ארבע", אמר. ST מייצרת כיום את מוצרי SiC מהדור הרביעי שלה עם ביצועי RDSon משופרים של 30%.

בורנפלד של בוש הציגה תחזיות ביקוש וקיבולת לשנת 2030, והצביעו על קיבולות עולמיות משמעותיות של פרוסות ופלים ביפן, דרום קוריאה, סין, מלזיה, גרמניה, אוסטריה וארצות הברית. למעשה, התעשייה צריכה להיות זהירה לא לבנות יתר על המידה (ראה איור 5). "השאלה היא 'מה קורה בסין?' סין כבר מובילה בחומרי גלם סיליקון קרביד, והם מספקים פרוסות באיכות גבוהה מאוד במחירים סבירים", אמר בורנפלד. "הם גם מדביקים את הפער במהירות מבחינת ציוד. לכן, אנחנו צריכים לצפות ולעקוב אחר הקיבולת הכוללת".

לבסוף, Veliadis מ-PowerAmerica דיבר על ההכשרה במקום העבודה הנדרשת ליישום מיומן של מוליכים למחצה בעלי פער פס רחב כגון SiC ו-GaN במפעלי פרוסות סיליקון. "יש ביקוש גבוה למהנדסים בעלי מומחיות בייצור MOSFET של SiC ו-GaN, ויש הבדלים משמעותיים בין מפעלי פרוסות סיליקון של SiC למפעלי פרוסות סיליקון", אמר.

סיכום

המעבר לאנרגיה נקייה ולרכבים חשמליים ידרוש חומרים מוליכים למחצה חלופיים כמו SiC ו-GaN, ומכשירי חשמל בטוח יעברו אופטימיזציה משמעותית בעשורים הקרובים. הטירוף של שיפורים טכנולוגיים והרחבות קיבולת אולי לא יימשך, אבל התקני כוח עדיין יהיו חלק מרכזי במפות הדרכים של חברות רבות.

"אנחנו יודעים שתעשיית המוליכים למחצה הולכת לקראת שוק של טריליון דולר, אבל כולם רוצים לדעת מה יקרה אחרי 1", אמר דיוויד ברץ, מנהל שיווק אסטרטגי ב-Applied Materials ICAPS. "אני כאן כדי להוכיח שהעידן החמישי של מוליכים למחצה אכן מונע על ידי הטרנספורמציה של ייצור ותחבורה של אנרגיה."

ניהול הצמיחה של פרוסות SiC, מכשירים ומודולים עשוי להיות ההיבט המאתגר ביותר של שוק ה-SiC עד כה, יחד עם בעיות בשרשרת האספקה, מילוי פערים טכנולוגיים ושינויים גיאופוליטיים. עם זאת, נראה כי תעשיית טכנולוגיית המוליכים למחצה הגיעה לקונצנזוס על דברים רבים, במיוחד בנוגע לדרישה ליעילות וביצועי חשמל מהדור הבא.