Şu anda, yarı iletken endüstrisindeki 100 mm ve 150 mm'lik levhaların çoğu, altıgen kafes yapısına sahip tek kristalli silikon karbürden yapılmıştır (sırasıyla 4 inç ve 6 inç levhalar için 4H ve 6H ile temsil edilir). Bununla birlikte, büyük SiC cihaz üreticileri 150 mm'lik levhalardan 200 mm'lik levhalara başarıyla geçiş yapıyor ve diğer üreticiler de bu tedarikten yararlanıyor.

Örneğin, Yole Group analistlerine göre Infineon, İsveç şirketi Norstel'in çoğunluk hissesini satın alan STMicroelectronics de dahil olmak üzere çok sayıda tedarikçiden ince levha tedarik ediyor. Silikon güç cihazı tedarikçisi Rohm, kapasitesini ve ortaklıklarını artırıyor. Temmuz ayında Rohm, 10 yıllık bir anlaşma imzaladı ve 2 mm'lik çıplak ve epitaksiyel SiC levhaların tedariği için Wolfspeed'e 150 milyar dolar depozito ödedi. Rohm ayrıca, Japonya'da bir SiC tesisinin inşası da dahil olmak üzere teknoloji ve genişlemeye 260 milyar Japon yeni yatırım yapacak olan Mitsubishi ile bir anlaşmaya vardı.

Şirketin başkanı Hidetoshi Shibata yakın tarihli bir basın açıklamasında, "Rohm, geleneksel güç yarı iletken alanında yeni gelen bir firma, ancak şimdi [ürünlerimiz] yüksek verimlilikleriyle dikkat çekiyor" dedi. "SiC de bunu başarabilir."

Bu arada, SOITEC ve STMicroelectronics, tek kristalli substratlar üzerinde çok kristalli SiC adı verilen ve tek kristalli silikon levhaların birden fazla dilime bölünmesini ve atığı azaltmak için donör levha substratlarının yeniden kullanılmasını içeren bir yöntemi araştırıyor. Çok kristalli silikon alt tabakaların avantajı, ısıyı alt tabaka üzerinden metal konektörlere iletme yeteneğidir, bu da daha hızlı anahtarlama ve mükemmel ısı dağılımı sağlar.

Bazı açılardan silisyum karbür, silisyumun gelişim yörüngesini takip ediyor. Ancak SiC'deki kusur seviyeleri nedeniyle veri paylaşımı gereklidir.

Bosch'tan Bornefeld, "Silikon levha tedarikçileriyle ham madde verilerini ve ekipman verilerini paylaşıyoruz" dedi. "Ayrıca her iki şirketin de ilerleyebilmesi için iyi korelasyonları belirlemek ve bu bilgileri paylaşmak için gelişmiş yapay zeka tabanlı sistemler kullanıyoruz."

Ancak veri paylaşımı henüz yaygın değil. Silikonun aksine, 150 mm'lik külçe boyutundan 200 mm'lik külçe boyutuna geçiş, levha/külçe formları açısından önemli ölçüde daha yüksek getiri getirmiyor. Ek olarak 200 mm, daha büyük tohum kristalleri gerektirir ve bunların 2,500°C'de büyümesi daha uzun sürer. Şu anda verimlilikteki (gofret/külçe) artış %20 aralığında olabilir. TECHCET'ten analistler, dilimleme, öğütme, cilalama ve CMP işlemleriyle karşılaştırıldığında külçe büyümesinin maliyet katkısının azalacağını tahmin ediyor.

Otomotiv çiplerine olan talep elektrikli araçların talebini aşıyor

STMicroelectronics'in Otomotiv Akıllı Güç ve Ayrık Ürünler Pazarlama Direktörü Lee Bell, "Otomotiv yarı iletken uygulamalarına olan talebin, elektrikli araç üretimindeki artıştan daha hızlı büyüdüğünü görüyoruz." dedi. "Bunun nedeni çeşitli faktörler. Gelişmiş sürücü güvenliği özellikleri, otonom araç kontrolü, gelişmiş bağlantı ve kolaylık fonksiyonlarının tümü, yarı iletkenlere olan talebi artırıyor, ancak bu, güç sistemlerinin elektrifikasyonundan farklı bir şekilde" dedi. "2022 yılına gelindiğinde elektrikli araçların yaklaşık üçte ikisi hibrit olacak ve yaklaşık üçte biri pille çalışacak. 2030 yılına gelindiğinde bu eğilim tersine dönecek. Bunun nedeni artan pazar kabulü, iyileştirilmiş şarj altyapısı, ancak belki de çoğu Daha da önemlisi burası otomobil üreticilerinin araştırma ve üretim bütçelerini ayırdıkları yerdir." Bu değişiklik SiC MOSFET'lerin kullanımı için önemli bir itici güçtür.

Bell, çekiş invertörlerinin genellikle daha büyük çipler kullandığına dikkat çekti. Güç yarı iletkenlerinin, aracın şarj sistemindeki ve aküden Nesnelerin İnterneti sistemine giden voltajı azaltan DC-DC dönüştürücüdeki büyük tüketiciler olduğunu ekledi. Hibrit araç mimarilerinde bunların her ikisi de mevcut değildir.

Ayrıca, sistemdeki güç kaybı ne kadar az olursa, aracın ve kamyonun menzilinin de o kadar uzun olması nedeniyle verimliliğin (paketleme cihazları ve modülleri) birincil öneme sahip olduğunu vurguladı. "210 kW'lık bir invertör sistemini (yaklaşık 280 beygir gücüne eşdeğer) SiC MOSFET'ler ve silikon IGBT'lerle karşılaştıran bir çalışma yürüttük," dedi. "Silikon karbür yöntemi sürekli olarak %98 operasyonel verimlilik sağlarken, IGBT yöntemi özellikle aracın ömrünün yaklaşık %95'ini geçirdiği düşük çalışma yükü aralığında daha az verimlidir."

Toplam güç, iletim kayıpları ve anahtarlama kayıplarının toplamıdır. "Silisyum karbür anahtarlama kayıplarını dört kat azaltır" dedi. ST şu anda dördüncü nesil SiC ürünlerini %30 oranında geliştirilmiş bir RDSon performansıyla üretiyor.

Bosch Bornefeld, 2030 yılı için talep ve kapasite tahminlerini sunarak Japonya, Güney Kore, Çin, Malezya, Almanya, Avusturya ve Amerika Birleşik Devletleri'ndeki önemli küresel levha ve levha fabrikası kapasitelerine işaret etti. Aslında sektörün aşırı inşaat yapmamaya dikkat etmesi gerekiyor (bkz. Şekil 5). "Soru şu: 'Çin'de neler oluyor?' Bornefeld, Çin'in halihazırda silisyum karbür hammaddelerinde lider konumda olduğunu ve makul fiyatlarla çok yüksek kalitede levhalar sağladığını söyledi. "Ekipman açısından da hızla arayı kapatıyorlar. Bu nedenle genel kapasiteyi izlememiz ve takip etmemiz gerekiyor."

Son olarak PowerAmerica'dan Veliadis, SiC ve GaN gibi geniş bant aralıklı yarı iletkenlerin levha fabrikalarında ustaca uygulanması için gereken işyeri eğitiminden bahsetti. "SiC ve GaN MOSFET üretiminde uzmanlığa sahip mühendislere yüksek bir talep var ve SiC levha fabrikaları ile silikon levha fabrikaları arasında önemli farklar var" dedi.

Sonuç

Temiz enerjiye ve elektrikli araçlara geçiş, SiC ve GaN gibi alternatif yarı iletken malzemeler gerektirecektir ve güç cihazlarının önümüzdeki yıllarda önemli ölçüde optimizasyona tabi tutulacağı kesindir. Teknolojik gelişmeler ve kapasite genişletme çılgınlığı devam etmeyebilir ancak güç cihazları hâlâ birçok şirketin yol haritasının önemli bir parçası olacak.

Applied Materials ICAPS Stratejik Pazarlama Direktörü David Britz, "Yarı iletken endüstrisinin 1 trilyon dolarlık bir pazara doğru ilerlediğini biliyoruz, ancak herkes 2030'dan sonra ne olacağını bilmek istiyor" dedi. "Yarı iletkenlerin beşinci çağının gerçekten de enerji üretimi ve taşımacılığındaki dönüşüm tarafından yönlendirildiğini kanıtlamak için buradayım."

SiC plakalarının, cihazlarının ve modüllerinin büyümesini yönetmek, tedarik zinciri sorunları, teknolojik boşlukların doldurulması ve jeopolitik değişimlerle birlikte SiC pazarının bugüne kadarki en zorlu yönü olabilir. Bununla birlikte yarı iletken teknolojisi endüstrisi, özellikle yeni nesil güç verimliliği ve performansına yönelik talep başta olmak üzere pek çok konuda fikir birliğine varmış gibi görünüyor.