ความท้าทายใดบ้างที่เกี่ยวข้องกับการผลิต SiC

SiC ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในยานพาหนะไฟฟ้า (EV) สำหรับอินเวอร์เตอร์แบบฉุดลากและเครื่องชาร์จในตัว เช่นเดียวกับในการใช้งานโครงสร้างพื้นฐาน เช่น เครื่องชาร์จ DC แบบเร็ว อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ ระบบกักเก็บพลังงาน และเครื่องสำรองไฟ (UPS) แม้จะถูกใช้ในการผลิตจำนวนมากมานานกว่าศตวรรษ โดยเริ่มแรกเป็นวัสดุที่มีฤทธิ์กัดกร่อน แต่ SiC ยังแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่โดดเด่นในการใช้งานไฟฟ้าแรงสูงและพลังงานสูง

จากมุมมองของคุณสมบัติทางกายภาพซิลิคอนคาร์ไบด์มีการนำความร้อนสูง ความเร็วดริฟท์ของอิเล็กตรอนอิ่มตัวสูง และสนามไฟฟ้าสลายตัวสูง (ดังแสดงในรูปที่ 1) เป็นผลให้ระบบที่ใช้ซิลิกอนคาร์ไบด์สามารถลดการสูญเสียพลังงานได้อย่างมากและให้ความเร็วในการเปลี่ยนที่เร็วขึ้นระหว่างการทำงาน เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ MOSFET ซิลิคอนและ IGBT แบบดั้งเดิม ซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถให้ข้อได้เปรียบเหล่านี้ในขนาดที่เล็กลง โดยให้ประสิทธิภาพที่สูงกว่าและประสิทธิภาพที่เหนือกว่า

รูปที่ 1: ลักษณะของวัสดุซิลิคอนและ Wide Bandgap

การทำงานของซิลิกอนคาร์ไบด์สามารถเกินขีดจำกัดของซิลิคอนโดยมีความถี่ในการดำเนินงานสูงกว่าความถี่ของ IGBT ซิลิคอน และยังช่วยเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานได้อย่างมากอีกด้วย

รูปที่ 2: SiC กับ Si

โอกาสอะไรทำซิลิคอนคาร์ไบด์ปัจจุบัน?

สำหรับผู้ผลิต ซิลิคอนคาร์ไบด์ถือเป็นข้อได้เปรียบทางการแข่งขันที่สำคัญ ไม่เพียงแต่ให้โอกาสในการสร้างระบบประหยัดพลังงานเท่านั้น แต่ยังช่วยลดขนาด น้ำหนัก และต้นทุนโดยรวมของระบบเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพอีกด้วย เนื่องจากระบบที่ใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์โดยทั่วไปจะประหยัดพลังงาน กะทัดรัด และทนทานมากกว่าเมื่อเทียบกับระบบที่ใช้ซิลิคอน ช่วยให้นักออกแบบสามารถลดต้นทุนโดยการลดขนาดของส่วนประกอบแบบพาสซีฟ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เนื่องจากการสร้างความร้อนที่ต่ำกว่าของอุปกรณ์ SiC จึงสามารถรักษาอุณหภูมิในการทำงานให้ต่ำกว่าอุณหภูมิของโซลูชันแบบเดิมได้ ดังแสดงในรูปที่ 3 ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ ในขณะเดียวกันก็เพิ่มความน่าเชื่อถือและยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ด้วย

รูปที่ 3: ข้อดีของการใช้งานซิลิคอนคาร์ไบด์

ในขั้นตอนการออกแบบและการผลิต การนำเทคโนโลยีพันธะชิปใหม่ๆ มาใช้ เช่น การเผาผนึก สามารถอำนวยความสะดวกในการกระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น และรับประกันความน่าเชื่อถือในการเชื่อมต่อ เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ซิลิคอน อุปกรณ์ SiC สามารถทำงานได้ที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าและให้ความเร็วในการสลับที่เร็วกว่า ข้อดีเหล่านี้ช่วยให้นักออกแบบสามารถคิดใหม่เกี่ยวกับวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพฟังก์ชันการทำงานในระดับระบบ ในขณะเดียวกันก็เพิ่มความสามารถในการแข่งขันด้านต้นทุน ปัจจุบัน อุปกรณ์ประสิทธิภาพสูงจำนวนมากใช้เทคโนโลยี SiC รวมถึงไดโอดซิลิคอนคาร์ไบด์, MOSFET และโมดูล

เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุซิลิกอน ประสิทธิภาพที่เหนือกว่าของ SiC เปิดโอกาสให้เกิดการใช้งานใหม่ๆ มากมาย โดยทั่วไปอุปกรณ์ SiC ได้รับการออกแบบมาสำหรับแรงดันไฟฟ้าไม่น้อยกว่า 650V และโดยเฉพาะที่สูงกว่า 1200V SiC จึงกลายเป็นตัวเลือกที่ต้องการสำหรับการใช้งานหลายประเภท แอปพลิเคชันต่างๆ เช่น เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ สถานีชาร์จ EV และการแปลง AC เป็น DC ระดับอุตสาหกรรม คาดว่าจะค่อยๆ เปลี่ยนไปสู่เทคโนโลยี SiC การใช้งานอีกประเภทหนึ่งคือหม้อแปลงโซลิดสเตต โดยที่หม้อแปลงทองแดงและแม่เหล็กที่มีอยู่จะค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วยเทคโนโลยี SiC ซึ่งให้ประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้นในการส่งและการแปลงพลังงาน

ความท้าทายด้านการผลิตทำอะไรได้บ้างซิลิคอนคาร์ไบด์ใบหน้า?

แม้ว่าซิลิคอนคาร์ไบด์จะมีศักยภาพทางการตลาดมากมาย แต่กระบวนการผลิตยังเผชิญกับความท้าทายหลายประการ ในขั้นต้น จะต้องรับประกันความบริสุทธิ์ของวัตถุดิบ เช่น เม็ดหรือผง SiC ต่อจากนี้ การผลิตแท่ง SiC ที่มีความสม่ำเสมอสูง (ดังแสดงในรูปที่ 4) จำเป็นต้องสั่งสมประสบการณ์ในทุกขั้นตอนการประมวลผลที่ตามมา เพื่อให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย (ดังแสดงในรูปที่ 5)

ความท้าทายเฉพาะของ SiC ก็คือมันไม่มีสถานะเป็นของเหลว ซึ่งหมายความว่ามันไม่สามารถเติบโตได้โดยใช้วิธีการหลอมแบบดั้งเดิม การเติบโตของคริสตัลจะต้องเกิดขึ้นภายใต้แรงกดดันที่มีการควบคุมอย่างแม่นยำ ส่งผลให้การผลิต SiC ซับซ้อนกว่าซิลิคอน หากรักษาความเสถียรในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงและความดันต่ำ SiC จะสลายตัวเป็นสารก๊าซโดยตรงโดยไม่ต้องผ่านสถานะของเหลว

เนื่องจากคุณลักษณะนี้ การเติบโตของผลึก SiC โดยทั่วไปจึงใช้เทคนิคการระเหิดหรือการขนส่งไอทางกายภาพ (PVT) ในกระบวนการนี้ ผง SiC จะถูกใส่ในเบ้าหลอมภายในเตาเผาและให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูง (เกิน 2200°C) เมื่อ SiC ระเหิด มันจะตกผลึกบนผลึกเมล็ดจนเกิดเป็นผลึก ส่วนสำคัญของวิธีการเจริญเติบโตแบบ PVT คือผลึกเมล็ดซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางใกล้เคียงกับแท่งโลหะ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อัตราการเติบโตของกระบวนการ PVT นั้นช้ามาก ประมาณ 0.1 ถึง 0.5 มิลลิเมตรต่อชั่วโมง

รูปที่ 4: ผงซิลิคอนคาร์ไบด์ แท่งโลหะ และเวเฟอร์

เนื่องจาก SiC มีความแข็งมากเมื่อเทียบกับซิลิคอนเวเฟอร์กระบวนการผลิตก็มีความซับซ้อนมากขึ้นเช่นกัน SiC เป็นวัสดุที่มีความแข็งเป็นพิเศษ ทำให้การตัดเฉือนแม้จะใช้เลื่อยเพชรก็ทำได้ยาก ซึ่งเป็นความแข็งที่ทำให้แตกต่างจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ มากมาย แม้ว่าในปัจจุบันจะมีวิธีการต่างๆ มากมายในการหั่นแท่งโลหะเป็นแผ่นเวเฟอร์ แต่วิธีการเหล่านี้อาจทำให้เกิดข้อบกพร่องในผลึกเดี่ยว ซึ่งส่งผลต่อคุณภาพของวัสดุขั้นสุดท้าย

รูปที่ 5: กระบวนการผลิตซิลิคอนคาร์ไบด์ตั้งแต่วัตถุดิบจนถึงผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

นอกจากนี้ การผลิต SiC ในปริมาณมากยังเผชิญกับความท้าทายอีกด้วย SiC มีข้อบกพร่องมากกว่าเมื่อเทียบกับซิลิคอนโดยธรรมชาติ กระบวนการเติมมีความซับซ้อนสูงและการผลิตเวเฟอร์ SiC ขนาดใหญ่และมีข้อบกพร่องต่ำส่งผลให้ต้นทุนการผลิตและการประมวลผลสูงขึ้น ดังนั้นการสร้างกระบวนการพัฒนาที่มีประสิทธิภาพและเข้มงวดตั้งแต่เริ่มต้นจึงเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่าการผลิตผลิตภัณฑ์คุณภาพสูงมีความสม่ำเสมอ

รูปที่ 6: ความท้าทาย - เวเฟอร์และข้อบกพร่องของซิลิคอนคาร์ไบด์

พวกเราที่ Semicorex เชี่ยวชาญด้านกราไฟท์เคลือบ SiC/TaCโซลูชันที่ใช้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ SiC หากคุณมีข้อสงสัยหรือต้องการรายละเอียดเพิ่มเติม โปรดอย่าลังเลที่จะติดต่อเรา

โทรศัพท์ติดต่อ: +86-13567891907

อีเมล์: sales@semicorex.com