หน้าแรก โซลูชัน พื้นฐานอิเล็กทรอนิกส์ สารกึ่งตัวนำกำลังสูงนำมาซึ่งยุคของ SiC (ตอนที่สอง)

สารกึ่งตัวนำกำลังสูงนำมาซึ่งยุคของ SiC (ตอนที่สอง)

2023-09-05 885

IDM (ผู้ผลิตอุปกรณ์แบบรวม), โรงหล่อ, นิทาน

ผู้เล่นหลักในการผลิตชิป ได้แก่ Wolfspeed, STMicroelectronics, ON Semiconductor, ROHM, Infineon และ Bosch เวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ซึ่งเป็นปัจจัยต้นทุนที่ใหญ่ที่สุดสำหรับอุปกรณ์เหล่านี้ กำลังเปลี่ยนการผลิตจาก 150 มม. เป็น 200 มม. แต่กระบวนการเติบโต การแบ่งส่วน และการเตรียมการยังคงต้องอาศัยการดำเนินการด้วยตนเองที่มีราคาแพงและใช้เวลานาน

ทุกฝ่าย โดยเฉพาะ IDM และโรงงานเวเฟอร์ มุ่งมั่นที่จะลดอัตราข้อบกพร่องของผลึก SiC โดยพัฒนาแพลตฟอร์มเครื่องมือเฉพาะสำหรับ SiC เช่น การฝังไอออนที่อุณหภูมิสูง เตาหลอมแบบ epitaxial ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,500°C และการปรับปรุงสารละลาย CMP แผ่นขัดเงา และสารเคมีทำความสะอาดสำหรับการแปรรูปวัสดุที่มีความแข็งเกือบเท่ากับเพชร

เนื่องจากวงจรกำลังที่ใช้ซิลิคอน, SiC และ GaN ล้วนแข่งขันกันภายในช่วงแบตเตอรี่ 400V การเปลี่ยนผ่านเทคโนโลยีจึงเสร็จสมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม ระบบพลังงาน SiC สามารถให้ระดับพลังงานที่สูงกว่ามากเมื่อเทียบกับ GaN (ดูรูปที่ 3)

"ฉันเรียกมันว่าสมรภูมิ 650V เพราะในความเป็นจริง เทคโนโลยีทั้งสามมีการแข่งขันในช่วงนี้" Veliadis จาก PowerAmerica ผู้เข้าร่วมฟอรัม "การเชื่อมต่อระบบนิเวศยานยนต์กับการผลิต SiC" ที่จัดขึ้นที่ SEMICON West กล่าว แม้ว่า GaN จะมีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่สูงกว่า SiC แต่อายุของมันจะต่ำกว่าและไม่สามารถเทียบได้กับระดับพลังงานที่สูงของ SiC อย่างไรก็ตาม GaN ยังคงดึงดูดความสนใจอย่างมากในการผลิตอุปกรณ์ความถี่สูง นอกจากนี้ วิธีการ GaN ที่ใช้ซิลิคอนบางวิธีซึ่งปัจจุบันใช้โดยบริษัทต่างๆ เช่น Intel และ imec ก็มีแนวโน้มที่ดีเช่นกัน

โมดูลซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ถือว่ามีความสำคัญอย่างยิ่งในการปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบส่งกำลังของรถยนต์ไฟฟ้า การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญจากอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิคอนไปเป็นอุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์จะช่วยเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานในระบบไฟฟ้าได้อย่างมาก ขณะเดียวกันก็ลดขนาด น้ำหนัก และที่สำคัญที่สุดคือต้นทุนของยานพาหนะไฟฟ้า เนื่องจากถึงแม้เซมิคอนดักเตอร์กำลังที่ใช้ซิลิคอนยังคงได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสม แต่ก็ยังถึงขีดจำกัดการปฏิบัติงานในแง่ของการนำและการสูญเสียการสลับ ซิลิคอนคาร์ไบด์ซึ่งมีแถบความถี่กว้างกว่า (3.26eV เมื่อเทียบกับ 1.12eV ของซิลิคอน) สามารถลดการสูญเสียดังกล่าวและให้ประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูงและความถี่สูงได้อย่างยอดเยี่ยม

ผู้ผลิตชิป SiC หลายรายได้เปลี่ยนสายการผลิตซิลิคอน 150 มม. ของตนเป็นการผลิต SiC แล้ว Veliadis กล่าวว่า "แนวทางที่ประสบความสำเร็จอย่างสูงจนถึงขณะนี้คือการแปรรูปซิลิคอนคาร์ไบด์ในโรงงานซิลิกอนที่เจริญเต็มที่และเสื่อมค่าลงทั้งหมด โดยมีเงินลงทุนประมาณ 30 ล้านดอลลาร์ ซึ่งให้ผลตอบแทนมหาศาล" ต้นทุนมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับโมดูลพลังงาน “การใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์ คุณจะต้องจ่ายประมาณสามเท่าของต้นทุนสำหรับชิปเซมิคอนดักเตอร์ แต่ต้นทุนโดยรวมของระบบกลับต่ำกว่าต้นทุนของโมดูลพลังงานซิลิคอนซึ่งขัดกับสัญชาตญาณ แต่คำตอบนั้นง่ายมาก ความสามารถในการทำงานอย่างมีประสิทธิภาพ ที่ความถี่สูงจะช่วยลดปริมาณของส่วนประกอบแม่เหล็กและส่วนประกอบแบบพาสซีฟลงอย่างมาก โดยชดเชยต้นทุนการผลิตชิปที่สูงขึ้น"

อย่างไรก็ตาม ไม่มีโรงงานเก่าเหลืออยู่ที่สามารถจ่ายค่าปรับปรุง 30 ล้านดอลลาร์ในอุตสาหกรรมนี้ โรงงานเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์แห่งใหม่กำลังอยู่ระหว่างการก่อสร้างอย่างรวดเร็ว ในขณะเดียวกัน บริษัทที่ไม่ใช่เวเฟอร์ก็กำลังแข่งขันกันเพื่อกำลังการผลิต

"เรามีตลาดที่แข่งขันกันสองแห่ง ได้แก่ ตลาดยานยนต์และตลาดพลังงานทดแทน ซึ่งทั้งสองแห่งกำลังมองหากำลังการผลิต" Ralf Bornefeld รองประธานอาวุโสของ Bosch Power Semiconductors and Modules กล่าว “เราได้เรียนรู้จากการแพร่ระบาดของโควิด-19 ว่าตลาดที่แข่งขันกันสามารถปิดตลาดอื่นได้ ดังนั้นเราจึงต้องคำนึงถึงเรื่องนั้นด้วย” ปัจจุบัน Bosch กำลังผลิตโมดูล SiC MOSFET รุ่นที่สามที่มีแรงดันพังทลายที่ 1,200V

อุปกรณ์ SiC เหมาะอย่างยิ่งสำหรับรถยนต์เนื่องจากสามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง โดยมีความหนาแน่นของพลังงานสูง อุปกรณ์จ่ายไฟ SiC มีการสูญเสียสวิตช์ต่ำมากและ RDSon ต่ำมาก (ความต้านทานระหว่างแหล่งกำเนิดและท่อระบายเมื่อทำงาน) RDSon ที่เล็กกว่ามีความสัมพันธ์กับการสูญเสียพลังงานที่ลดลงใน MOSFET

ความสามารถของอุปกรณ์เริ่มต้นด้วยวัสดุ SiC “คุณภาพของคริสตัลเป็นปัจจัยสำคัญที่ผู้เล่นทุกคนได้รับการจัดการมาตลอด 20 ปีที่ผ่านมา แต่ยังคงมีความคลาดเคลื่อนของระนาบฐาน ข้อผิดพลาดในการซ้อน ฯลฯ ในคริสตัลที่ต้องได้รับการออกแบบเพื่อสร้าง 20, 30 และ อุปกรณ์ขนาด 40 ตารางมิลลิเมตร” คริสตอฟ มาเลวิลล์ รองประธานอาวุโสของ SOITEC Innovation กล่าว "เมื่อเราเข้าสู่วงการซิลิกอนคาร์ไบด์เมื่อสี่ปีที่แล้ว สิ่งที่เราสังเกตเห็นเป็นครั้งแรกคือมีความแปรปรวนจากแท่งโลหะหนึ่งไปยังอีกแท่งหนึ่ง และจากแผ่นเวเฟอร์หนึ่งไปยังอีกแท่งหนึ่ง ซึ่งโดยปกติวิศวกรจะต้องปรับและตรวจสอบความถูกต้องของเอพิแทกซีด้วย ดังนั้น การนำไปใช้ในการผลิต ยังไม่ผอมเลย”

ในแง่ของไฟฟ้า อุปกรณ์กำลังอาจมีความไวต่อการเหนี่ยวนำของปรสิต ประกายไฟ และความท้าทายอื่นๆ แตกต่างจากโรงงานสัญญาณผสมแบบอะนาล็อกที่ขาดการหดตัว พารามิเตอร์เป็นจุดสนใจหลัก และวิศวกรไฟฟ้าจำเป็นต้องจัดการกับความแปรผัน

"ในอดีต (แอนะล็อก) ยังขาดการหดตัว แต่ตอนนี้พวกเขามีกระบวนการแก้ไขข้อบกพร่องที่พร้อมแล้ว" Dieter Rathei ซีอีโอของ DR Yield กล่าว "เนื่องจากเซมิคอนดักเตอร์แบบผสม เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ แกลเลียมไนไตรด์ และแกลเลียมอาร์เซไนด์กลายเป็นกระแสหลักมากขึ้นและเติบโตเร็วขึ้น ปัญหาผลผลิตของพาราเมตริกก็จะดีขึ้น"

ยังมีต่อ...

สารกึ่งตัวนำกำลังสูงนำมาซึ่งยุคของ SiC (ตอนที่สาม)

สารกึ่งตัวนำกำลังสูงนำมาซึ่งยุคของ SiC (ตอนที่หนึ่ง)